集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案

集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)方案（2005年電子大賽一等獎(jiǎng)）

概述：本系統(tǒng)參照片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)、采用FPGA與SPCE061A相結(jié)合的方法，以SPCE061A單片機(jī)為進(jìn)程控制和任務(wù)調(diào)度核心；FPGA做為外圍擴(kuò)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(jī)通過系統(tǒng)總線向規(guī)定的存儲(chǔ)單元中送入正弦表；然后DDS控制器以設(shè)定的頻率，自動(dòng)循環(huán)掃描，生成高精度，高穩(wěn)定的5Hz基準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。掃頻信號(hào)通過對(duì)30MHz的FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)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(hào)。

放大器參數(shù)測(cè)量參照GB3442-82標(biāo)準(zhǔn)，低頻信號(hào)幅度的測(cè)量采取AD高速采樣，然后進(jìn)行數(shù)字處理的方法；高頻信號(hào)的幅度直接采用集成有效值轉(zhuǎn)換芯片測(cè)得。A/D轉(zhuǎn)換采用SPCE061A內(nèi)部自帶的10位AD。SPCE061A主要實(shí)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(jìn)程的調(diào)度）、AD轉(zhuǎn)換以及測(cè)量參數(shù)（Vio Iio Kcmr Avd BWG Tr）計(jì)算、與上位機(jī)通信等方面的功能。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)向下位機(jī)發(fā)送測(cè)量指令、與下位機(jī)交換測(cè)量數(shù)據(jù)、以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回放、統(tǒng)計(jì)。

一、方案比較設(shè)計(jì)與論證
（一）測(cè)量電路模塊
1、測(cè)試信號(hào)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(duì)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(gè)高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過運(yùn)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(shí)域采樣定理為基礎(chǔ)，在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行頻率合成，其相位、幅度都可以實(shí)現(xiàn)程控，而且用FPGA來實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。
　　在這里我們只需要一個(gè)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(shí)現(xiàn)了高精度，高穩(wěn)定度的5Hz測(cè)試信號(hào)源。
2、主測(cè)試電路
　　方案一：將測(cè)試放大器參數(shù)的實(shí)現(xiàn)分成4個(gè)電路檢測(cè)。該方案實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量比較好，且有利于各個(gè)參數(shù)調(diào)試。但是對(duì)于要實(shí)現(xiàn)智能測(cè)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(shí)現(xiàn)電路的智能測(cè)試。
　　方案二：采用一級(jí)運(yùn)放。該電路經(jīng)過仔細(xì)的分析會(huì)發(fā)現(xiàn)它設(shè)計(jì)的非常的巧妙調(diào)試也很方便，不會(huì)產(chǎn)生自激、飽和等情況。缺點(diǎn)就是對(duì)與精度較高的運(yùn)算放大器該方案實(shí)現(xiàn)不了。
　　方案三：采用試題中所給的電路。這是一個(gè)二級(jí)的電路，測(cè)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(gè)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(jī)雕刻線路，并實(shí)現(xiàn)大面積的接地，輔助運(yùn)放加入補(bǔ)償矯正網(wǎng)絡(luò)等。
　　綜合上述，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，保證測(cè)試有更高的精度，采用方案三。
3、信號(hào)放大電路
　　方案一：采用普通的運(yùn)算放大器放大電路。運(yùn)算放大器放大電路成熟可靠，選用不同的運(yùn)算放大器，能夠?qū)Ω鞣N信號(hào)進(jìn)行很好放大。但其放大值固定，不能動(dòng)態(tài)調(diào)整，不便于處理大范圍變化信號(hào)。
　　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(jī)方便的進(jìn)行增益設(shè)定，十分有利于處理大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)。
　　由于測(cè)量信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，要有效的采樣處理，就要求放大器增益可動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信號(hào)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(dòng)，在通帶內(nèi)波動(dòng)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(diǎn)是一在頻帶內(nèi)允許波動(dòng)為代價(jià)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(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的濾波，而且可以實(shí)現(xiàn)模擬器件難以實(shí)現(xiàn)的高階濾波。但要進(jìn)行高效率的濾波，對(duì)AD采樣要求有較高的采樣速率和時(shí)實(shí)性，對(duì)單片機(jī)要求有較高的數(shù)據(jù)運(yùn)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(duì)信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波處理，然后AD采樣，進(jìn)行數(shù)字濾波。這樣既可以更加有效的對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，使有效信號(hào)更為純凈，便于后級(jí)數(shù)據(jù)處理，又降低了對(duì)ADC及單片機(jī)的要求，使得利用SPCE061A可以較輕松的實(shí)現(xiàn)
　　在本題中，測(cè)量輸出有效信號(hào)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(hào)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(hào)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(cè)的信號(hào)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(cè)試非常的方便。但是我們?cè)谡{(diào)試中現(xiàn)在AD736 在響應(yīng)低頻的時(shí)候不是很穩(wěn)定，這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)帶來不穩(wěn)定。因此我們沒有選用這個(gè)方案。
　　方案二：采用A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 凌陽16位單片機(jī)內(nèi)置有8路10位的A/D，運(yùn)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(dòng)，字符型LCD也可以才用74LS164通過同步串口驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是控制比較簡(jiǎn)單，而且串行顯示只占用很少的I/O口。但也有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，只能顯示一些簡(jiǎn)單的ASCII碼字符，顯示的信息量十分的有限，對(duì)于本系統(tǒng)較復(fù)雜的功能不太適合。
　　方案二：采用點(diǎn)陣型LCD顯示。點(diǎn)陣型LCD雖然占用的I/O口資