廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院 許燕儒 黃云森 林淑端 林燦燦 林天增 劉偉俊

通用運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放)芯片種類(lèi)繁多，在電子設(shè)計(jì)很常用，性能有很大差異。在運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)中，帶寬增益積(1)是重要技術(shù)指標(biāo)之一，本文設(shè)計(jì)的通用運(yùn)放測(cè)試儀能夠測(cè)試運(yùn)放的帶寬增益積。

通用運(yùn)放測(cè)試儀由Cortex-M3單片機(jī)(2)、FPGA、測(cè)試模塊、鍵盤(pán)、LCD顯示組成。其主控芯片Cortex-M3(3)單片機(jī)是一款低功耗處理器，是專(zhuān)為深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，集合了高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。LPC1768內(nèi)部具有8路12位精度的AD轉(zhuǎn)換通道，12位轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)到200KHz，轉(zhuǎn)換電壓0～3.3V；2個(gè)SPI接口(4)及控制器，具有同步、串行、全雙工通信和可編程的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

通用運(yùn)放測(cè)試儀工作時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)控制掃頻的范圍，Cortex-M3單片機(jī)將各個(gè)頻率控制字通過(guò)SPI接口傳送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到頻率控制字后，通過(guò)DDS模塊及D/A模塊輸出正弦波，正弦波是測(cè)試電路的輸入信號(hào)。測(cè)試電路由被測(cè)運(yùn)放組成運(yùn)算放大器，測(cè)試電路的輸出信號(hào)送至Cortex-M3單片機(jī)。Cortex-M3將接收到的信號(hào)首先計(jì)算出其有效值，再將有效值與輸入信號(hào)比較，掃頻計(jì)算得到帶寬增益積。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

下面說(shuō)明測(cè)試電路模塊(5)、FPGA掃頻信號(hào)源模塊、Cortex-M3單片機(jī)模塊、軟件的設(shè)計(jì)方法。

一、測(cè)試電路

運(yùn)放工作時(shí)的輸入電阻和反饋電阻大小不一，測(cè)試電路模塊為運(yùn)放工作選擇不同的外圍電阻，能夠測(cè)試多種運(yùn)放。模塊由NE555(6)、CD40161(7)、74HC138、指示電路、CD4051、運(yùn)放等組成。

NE555產(chǎn)生可編程4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器CD40161所需的時(shí)鐘信號(hào)，74HC138譯碼后通過(guò)CD4051選擇不同電阻，框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試電路模塊框圖

由NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路原理圖如圖3所示。

可編程4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器CD40161電路原理圖如圖4所示。

運(yùn)算放大器的外接電阻由電子開(kāi)關(guān)CD4051根據(jù)74HC138的譯碼地址選擇，可以選擇8種不同的運(yùn)放外接電阻。其電路原理圖如圖5所示。

圖3 時(shí)鐘產(chǎn)生電路原理圖

圖4 計(jì)數(shù)器電路原理圖

圖5 運(yùn)放外圍電阻選擇電路原理圖

圖6 基于FPGA的掃頻信號(hào)源

二、FPGA模塊設(shè)計(jì)

FPGA模塊設(shè)計(jì)采用的主控芯片是Altera公司生產(chǎn)的CycloneⅡ系列的FPGA芯片EP2C8Q208C8N，該系列的芯片是目前市場(chǎng)上性?xún)r(jià)比較高的芯片，與第一代芯片相比，有較大的改進(jìn)，價(jià)格也可以被廣大客戶(hù)所接受。EP2C8Q208C8N的核心供電電壓為1.2V，共有多達(dá)138個(gè)I/O口，內(nèi)部有2個(gè)鎖相環(huán)，16萬(wàn)RAM bit，最高工作頻率可達(dá)320MHz。

掃頻信號(hào)源是由FPGA與外圍電路組成，其外圍電路有D/A轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理電路、濾波輸出。信號(hào)源的工作原理是：FPGA通過(guò)SPI接口接收來(lái)自于Cortex-M3單片機(jī)的指令和頻率控制字，F(xiàn)PGA對(duì)頻率控制字進(jìn)行判斷，從ROM中提取與頻率控制字對(duì)應(yīng)的正弦波數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸出至D/A轉(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生該頻率的正弦階梯波，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路提高波形的電壓和功率，濾波器濾除D/A轉(zhuǎn)換時(shí)帶來(lái)的高次諧波，最后輸出為連續(xù)的正弦波。其原理框圖如圖6所示。

D/A轉(zhuǎn)換電路的芯片是AD9708，是一款高速DAC芯片，兼容8位、10位和12位并行數(shù)據(jù)輸入，轉(zhuǎn)換速度高達(dá)125MSPS，精度可達(dá)1/4LSB，工作電壓為3V和5V，內(nèi)部有1.2V的參考電壓，也可外接參考電壓，該芯片與一般的DAC芯片沒(méi)有太大區(qū)別，工作模式配置好即可工作，本測(cè)試儀使用的是8位精度的DAC。電路原理圖如圖7所示。

圖7 D/A轉(zhuǎn)換電路

圖8 調(diào)理電路

圖9 濾波輸出電路

圖10 LPC1768系統(tǒng)框圖

圖11 Cortex-M3單片機(jī)流程圖

調(diào)理電路放大D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓。其MAX4450是一款高速高性能的芯片，它的通頻帶為210MHz，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)485V/us，很好地滿足了設(shè)計(jì)的要求，其原理如圖8所示，同相放大電路的放大倍數(shù)為5.25倍，滿足設(shè)計(jì)的需要。

濾波輸出電路的設(shè)計(jì)是為了濾除D/A轉(zhuǎn)換時(shí)帶來(lái)的高次諧波，高次諧波會(huì)影響到D/A輸出的結(jié)果。本次設(shè)計(jì)的濾波器是二階巴特沃斯低通濾波器，其阻帶衰減速率為-40dB/10倍頻，采用了無(wú)限增益多路反饋電路。電路圖如圖9所示。

三、基于LPC1768的Cortex-M3單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

LPC1768的Cortex-M3單片機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)源的控制、SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸管理、A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和LCD顯示等。LPC1768的外圍電路主要有：按鍵電路、SPI接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD接口電路等。其原理圖如圖10所示。

工作時(shí)LPC1768首先根據(jù)按鍵選擇的頻率范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將頻率控制字傳送給FPGA；被測(cè)電路的輸出信號(hào)再由LPC1768控制A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的集中處理，判斷出3dB帶寬，在LCD上顯示出帶寬增益積。

四、帶寬增益積的計(jì)算

帶寬增益積(GBW)顧名思義，就是頻帶寬度(BW)與增益(G)的乘積，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就將增益(G)的值設(shè)置為1，所以，根據(jù)帶寬增益積(GBW)的定義可以得到：

測(cè)量到頻帶寬度就可得到帶寬增益積的值。測(cè)量時(shí)先設(shè)定FPGA輸出的正弦波(即被測(cè)電路的輸入信號(hào))幅值為100mV，被測(cè)系統(tǒng)的增益(G)固定為1，將LPC1768多次測(cè)量的結(jié)果依次分別與100mV相比較，若所測(cè)量點(diǎn)的幅值衰減為初始幅值的0.707倍，即70.7mV時(shí)，該測(cè)量點(diǎn)即為頻率截止點(diǎn)，而該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率即為頻帶寬度，由此帶寬增益積可知。

五、軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的FPGA相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，程序比較簡(jiǎn)單。這里給出Cortex-M3單片機(jī)程序流程圖如圖11所示。

六、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用性能優(yōu)良的主流芯片，以單片機(jī)為核心控制各個(gè)模塊工作，設(shè)計(jì)方案合理。在軟硬件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行逐級(jí)調(diào)試，逐級(jí)調(diào)試成功后再優(yōu)化處理，使之工作在最佳狀態(tài)。不足之處是受制于系統(tǒng)的工作速度，測(cè)試高速運(yùn)放會(huì)力不從心，測(cè)試中低速運(yùn)放則性能良好。

[1]Martin Hartley Jones A practical introduction to electronic circuits,Cambridge University Press,1995.page 148J.

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[4]Lei Jinhong.Design and implementation of a fault diagnosis system.[M].Control Conference(CCC),2012 31st Chinese,2012.

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