集成運放參數(shù)測試儀設(shè)計方案（2005年電子大賽一等獎）

概述：本系統(tǒng)參照片上系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)、采用FPGA與SPCE061A相結(jié)合的方法，以SPCE061A單片機為進程控制和任務(wù)調(diào)度核心；FPGA做為外圍擴展，內(nèi)部自建系統(tǒng)總線，地址譯碼采用全譯碼方式。FPGA內(nèi)部建有DDS控制器，單片機通過系統(tǒng)總線向規(guī)定的存儲單元中送入正弦表；然后DDS控制器以設(shè)定的頻率，自動循環(huán)掃描，生成高精度，高穩(wěn)定的5Hz基準(zhǔn)測量信號。掃頻信號通過對30MHz的FPGA系統(tǒng)時鐘進行分頻和外部鎖相環(huán)（FPGA采用FLEX10K10無內(nèi)部鎖相環(huán)）倍頻，產(chǎn)生高頻率穩(wěn)定度、幅值穩(wěn)定度的掃頻信號。

放大器參數(shù)測量參照GB3442-82標(biāo)準(zhǔn)，低頻信號幅度的測量采取AD高速采樣，然后進行數(shù)字處理的方法；高頻信號的幅度直接采用集成有效值轉(zhuǎn)換芯片測得。A/D轉(zhuǎn)換采用SPCE061A內(nèi)部自帶的10位AD。SPCE061A主要實現(xiàn)用戶接口界面（鍵盤掃描、液晶顯示、數(shù)據(jù)打印以及其他服務(wù)進程的調(diào)度）、AD轉(zhuǎn)換以及測量參數(shù)（Vio Iio Kcmr Avd BWG Tr）計算、與上位機通信等方面的功能。上位機主要實現(xiàn)向下位機發(fā)送測量指令、與下位機交換測量數(shù)據(jù)、以及數(shù)據(jù)的存儲、回放、統(tǒng)計。

一、方案比較設(shè)計與論證
（一）測量電路模塊
1、測試信號源部分
　　方案一：利用傳統(tǒng)的模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波，通過調(diào)整外圍元件可以改變輸出頻率、幅度，但采用模擬器件由于元件分散性太大，即使用單片函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)也與外部元件有關(guān)，外接電阻電容對參數(shù)影響很大，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差、精度低、抗干擾能力差、成本也較高。
　　方案二：采用鎖相式頻率合成方案。鎖相式頻率合成是將一個高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過運算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的技術(shù)，他在一定程度上滿足了既要頻率穩(wěn)定精確，又要在大范圍內(nèi)變化的矛盾。但其波形幅度穩(wěn)定度較差，在低頻內(nèi)波形不理想。
　　方案三：采用DDS技術(shù)。DDS以Nyquist時域采樣定理為基礎(chǔ)，在時域內(nèi)進行頻率合成，其相位、幅度都可以實現(xiàn)程控，而且用FPGA來實現(xiàn)非常簡單。
　　在這里我們只需要一個5Hz的單一穩(wěn)定頻率，要求其頻率，幅度穩(wěn)定。綜合考慮，我們采用方案三，實現(xiàn)了高精度，高穩(wěn)定度的5Hz測試信號源。
2、主測試電路
　　方案一：將測試放大器參數(shù)的實現(xiàn)分成4個電路檢測。該方案實現(xiàn)各個參數(shù)的測量比較好，且有利于各個參數(shù)調(diào)試。但是對于要實現(xiàn)智能測試該方案較復(fù)雜，在電路中所用的繼電器太多，很容易引起電磁干擾，不利于系統(tǒng)的整體性能提高，且不能實現(xiàn)電路的智能測試。
　　方案二：采用一級運放。該電路經(jīng)過仔細的分析會發(fā)現(xiàn)它設(shè)計的非常的巧妙調(diào)試也很方便，不會產(chǎn)生自激、飽和等情況。缺點就是對與精度較高的運算放大器該方案實現(xiàn)不了。
　　方案三：采用試題中所給的電路。這是一個二級的電路，測試精度非常的高。但在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)它很容易出現(xiàn)自激，為了使整個電路保持穩(wěn)定，我們采取了一系列的穩(wěn)定措施，如采用雕刻機雕刻線路，并實現(xiàn)大面積的接地，輔助運放加入補償矯正網(wǎng)絡(luò)等。
　　綜合上述，為了實現(xiàn)自動測量，保證測試有更高的精度，采用方案三。
3、信號放大電路
　　方案一：采用普通的運算放大器放大電路。運算放大器放大電路成熟可靠，選用不同的運算放大器，能夠?qū)Ω鞣N信號進行很好放大。但其放大值固定，不能動態(tài)調(diào)整，不便于處理大范圍變化信號。
　　方案二：采用程控可增益放大器。程控可增益放大器可用單片機方便的進行增益設(shè)定，十分有利于處理大動態(tài)范圍信號。
　　由于測量信號動態(tài)范圍大，要有效的采樣處理，就要求放大器增益可動態(tài)調(diào)整，由此我們選用方案二，采用可編程增益放大器AD625和數(shù)字電位器AD737組成程控增益放大器，實現(xiàn)對測量信號的有效放大。
4、濾波電路
　　方案一：采用二階切比雪夫低通濾波器或二階巴特沃斯低通濾波器。切比雪夫 濾波器的幅度響應(yīng)在通帶內(nèi)是在兩值之間波動，在通帶內(nèi)波動的次數(shù)取決于濾波器的階數(shù)。理想的在靠近截止頻率的范圍內(nèi)比巴特沃斯有更接近矩形的頻率響應(yīng)。但這一點是一在頻帶內(nèi)允許波動為代價的。巴特沃斯低通濾波器幅頻響應(yīng)是單調(diào)下降的，其N階低通濾波器的前（2N-1）階導(dǎo)數(shù)在頻率為零處始終為零，故又稱為最大平坦幅度濾波器。
　　方案二：采用數(shù)字濾波。數(shù)字濾波有極大的靈活性，可以在不增加任何硬件成本的基礎(chǔ)上對信號進行有效的濾波，而且可以實現(xiàn)模擬器件難以實現(xiàn)的高階濾波。但要進行高效率的濾波，對AD采樣要求有較高的采樣速率和時實性，對單片機要求有較高的數(shù)據(jù)運算速度。
　　方案三：采用模擬濾波器加數(shù)字濾波。先用模擬濾波器對信號進行簡單的濾波處理，然后AD采樣，進行數(shù)字濾波。這樣既可以更加有效的對信號進行濾波，使有效信號更為純凈，便于后級數(shù)據(jù)處理，又降低了對ADC及單片機的要求，使得利用SPCE061A可以較輕松的實現(xiàn)
　　在本題中，測量輸出有效信號同樣為5Hz，但伴有大量的高頻及較嚴(yán)重的50Hz工頻干擾，為了保持通帶內(nèi)有效信號的平坦性及純凈，我們選用方案三，模擬用二階巴特沃斯低通濾波器，數(shù)字濾波采用有限沖擊響應(yīng)法設(shè)置了低通濾波器及50Hz陷波器。
（二）信號采集模塊
　　方案一：用AD736 RMS真有效值轉(zhuǎn)換芯片，AD736的響應(yīng)頻率在0~10KHZ，采用該器件只需將被測的信號加到它的輸入端上，就可以得到它的有效值，無需軟件處理，測試非常的方便。但是我們在調(diào)試中現(xiàn)在AD736 在響應(yīng)低頻的時候不是很穩(wěn)定，這樣對整個系統(tǒng)會帶來不穩(wěn)定。因此我們沒有選用這個方案。
　　方案二：采用A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號數(shù)字化，然后進行數(shù)據(jù)處理。 凌陽16位單片機內(nèi)置有8路10位的A/D，運用起來非常的方便。無需外圍的電路，轉(zhuǎn)換精度也比較高，因此我們采用了方案二。
（三）用戶接口模塊
1、 顯示方案:
　　方案一：采用LED或字符型LCD顯示。LED可以用移位寄存器74164或者專用芯片MAX7219驅(qū)動，字符型LCD也可以才用74LS164通過同步串口驅(qū)動。優(yōu)點是控制比較簡單，而且串行顯示只占用很少的I/O口。但也有一個很大的缺點，只能顯示一些簡單的ASCII碼字符，顯示的信息量十分的有限，對于本系統(tǒng)較復(fù)雜的功能不太適合。
　　方案二：采用點陣型LCD顯示。點陣型LCD雖然占用的I/O口資