采用可編程DDS芯片和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測量系統(tǒng)的設(shè)計

　　（文章來源：電子設(shè)計應(yīng)用，作者：劉紅亮 ， 肖振宇 ， 黃龍杰）

在現(xiàn)代科研機(jī)構(gòu)電路設(shè)計、大專院校的電子系統(tǒng)教學(xué)中，集成運(yùn)算放大器作為信號處理的基本器件，應(yīng)用非常廣泛，準(zhǔn)確的掌握集成運(yùn)放的參數(shù)是進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計的基本前提。為了方便用戶準(zhǔn)確掌握手中運(yùn)放的各項參數(shù)，本文提供了一種采用可編程DDS芯片和MCU的測量系統(tǒng)，可自動測量集成運(yùn)放的5項基本參數(shù)，以小液晶屏顯示測量結(jié)果，并可根據(jù)需要打印測量的結(jié)果，與現(xiàn)有的BJ3195等昂貴測試儀相比，該測量系統(tǒng)功能精簡、操作智能化、人機(jī)接口友好。

系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以SPCE061單片機(jī)為控制核心，采用主從結(jié)構(gòu)，從單片機(jī)負(fù)責(zé)外圍的液晶顯示、打印、語音提示等功能。主單片機(jī)負(fù)責(zé)接收紅外鍵盤的輸入信息，根據(jù)當(dāng)前用戶輸入，將參數(shù)測試部分以及自動量程切換部分設(shè)置到合適的狀態(tài)，然后對測量結(jié)果進(jìn)行讀取，并通知從機(jī)對測量結(jié)果進(jìn)行顯示或打印。系統(tǒng)的DDS掃頻信號源，可以通過紅外鍵盤設(shè)置輸出4MHz以內(nèi)的任意頻率以及任意頻率段任意步進(jìn)的正弦信號。為了提高測量精度，系統(tǒng)另配了一套標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)放參數(shù)測量電路，對系統(tǒng)進(jìn)行初始校準(zhǔn)。

測量功能電路結(jié)構(gòu)

SPCE061簡介

SPCE061是凌陽科技股份有限公司推出的16位MCU，最高工作頻率可達(dá)49MHz，內(nèi)置32KB的ROM以及2KB的RAM，具有紅外通信接口和異步全雙工串行接口。另外，SPCE061提供非常方便的開發(fā)平臺和音頻編解碼工具，使得SPCE系列單片機(jī)不僅控制功能強(qiáng)大、開發(fā)周期短，且易于實(shí)現(xiàn)主從機(jī)架構(gòu)。

測量主電路

測量運(yùn)放參數(shù)的電路如圖2所示，該電路系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了兩個放大環(huán)節(jié)，因此存在兩個或者兩個以上的極點(diǎn)，由奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)，對于閉環(huán)反饋系統(tǒng)，若有極點(diǎn)分布在頻域右半平面，在深度負(fù)反饋測試時會產(chǎn)生自激振蕩，導(dǎo)致無法正常測試。因此，本系統(tǒng)改進(jìn)了該電路，在反饋回路中加入560pF電容與RF并聯(lián)，補(bǔ)償信號的相位，改變整個反饋通道的幅頻特性，增加其相角裕度，經(jīng)測試，閉環(huán)回路工作穩(wěn)定性大幅提高。

圖2中，S1、S2、S3、S4均為繼電器，由SPCE061控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)VIO、IIO、AVD、KCMR、BWG的自動測量，其中BWG由繼電器切換到另一路掃頻儀單獨(dú)測量。

根據(jù)式（1）、（2）、（3）、（4）可計算出VIO、IIO、AVD、KCMR：

程控放大電路

由于被測參數(shù)都是mV級電壓，應(yīng)對輔助運(yùn)放閉合環(huán)路的輸出信號分兩檔測量，在自動測量時，這兩檔的切換由MCU控制，因此需設(shè)計程控放大電路。本設(shè)計采用儀用放大器AD620，通過S5、S6改變其反饋電阻，以控制增益。由于儀用放大器為差模輸入，且輸人為5Hz的低頻信號，為抑制工頻干擾，在AD620的輸入級濾波，采用二階有源濾波電路，考慮其通帶平坦度，采用二階巴特沃茲低通濾波器，截止頻率設(shè)為20Hz。

單位增益帶寬測量電路

在輸入端輸入恒定幅度交流正弦信號，改變信號頻率，對應(yīng)于電路輸出端電壓下降3dB時的頻率即為單位增益帶寬。為提高測量效率，本設(shè)計將單位增益帶寬測量電路與其他參數(shù)測試電路隔離開，用繼電器進(jìn)行切換控制。單位增益帶寬與輸入信號幅度緊密相關(guān)，當(dāng)輸入信號較大時，單位帶寬變窄，測量結(jié)果誤差較大。系統(tǒng)中采用寬帶運(yùn)放對輸入信號進(jìn)行衰減，然后通過測試運(yùn)放，再用寬帶運(yùn)放對測試運(yùn)放的輸出信號進(jìn)行放大，以提高測量精度。寬帶運(yùn)放選甩AD811，其單位增益帶寬為140MHz。

DDS掃頻信號源

AD9851是一款數(shù)字頻率合成芯片，其最高工作頻率為180MHz，AD9851的最大輸出頻率為系統(tǒng)時鐘的40％時雜散頻率小，它有40位控制字，其中5位為相位控制，1位為6倍參考時鐘倍乘器開關(guān)控制，32位為頻率控制。當(dāng)外接20MHz時鐘源，6倍頻開啟后系統(tǒng)時鐘Fsysclk=120MHz，設(shè)頻率控制字為Fcw，則輸出頻率由式 得出，因此，最高可輸出頻率為48MHz的正弦波。圖3中，MCU主機(jī)根據(jù)紅外鍵盤設(shè)置的頻率步進(jìn)，計算32位頻率控制字，改變AD9851輸出信號的頻率。這種方法的頻率切換反應(yīng)靈敏。

由于AD9851輸出信號峰峰值為1V，而在測量BWG時使用有效值為2V的正弦信號較準(zhǔn)確，須放大5.656倍，設(shè)計掃頻信號源的最高輸出頻率為4MHz，則要求反相放大器的增益帶寬積GBW≥5.656×4MHz=22.624MHz，系統(tǒng)中采用GBW為50MHz的高速運(yùn)放AD817。

軟件算法與流程

單位增益帶寬測量的軟件算法

系統(tǒng)設(shè)計掃頻范圍為100KHz～3.5MHz，頻率分辨率為1KHz，要求自動測量總時間≤10s。因此，從100KHz到3.5MHz最少應(yīng)該掃描（3500-100）／1=3400次，每次最多使用的時間為：1 0／3400=0.0029s，而在這0.0029s內(nèi)要完成頻率設(shè)置、讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果等。高精度A／D轉(zhuǎn)換時間一般較長，加上設(shè)置掃描頻率的耗時，所以傳統(tǒng)的全頻段步進(jìn)掃描會有較大的系統(tǒng)時延。針對單位增益帶寬的特點(diǎn)，本設(shè)計采用二分查找算法，不斷縮小掃頻范圍，在較小的頻段內(nèi)步進(jìn)掃描，只需掃捕幾十個頻點(diǎn)即可在1 KHz的分辨率下滿足測量時間≤l0s的要求。

系統(tǒng)誤差概述

系統(tǒng)測試表明，VIO、IIO、AVD測量精度主要取決于集成運(yùn)放輸入電阻、反饋電阻的精度，保證運(yùn)放的兩個輸入端口外接等效電阻平衡可減小測量誤差。KCMR的測量誤差主要是由于外界的電磁干擾、電源紋波、工頻干擾、傳輸網(wǎng)絡(luò)不對稱，以及地電位不統(tǒng)一引起的串模干擾。通過單點(diǎn)接地、低通濾波、電源濾波，以及選取精度高的電阻可減小KCMR的測量誤差。

結(jié)語

測量儀表系統(tǒng)程控化、智能化是現(xiàn)代電了測量技術(shù)的發(fā)展方向，本設(shè)計實(shí)踐了這種思想，利用微控制器實(shí)現(xiàn)傘程數(shù)控，運(yùn)用可編程DDS芯片構(gòu)建高精度掃頻信號源。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠智能化地測量集成運(yùn)放的5項參數(shù)，切換靈敏、時延小，測量精度較以往的測量方法更為精確，具有較高的性價比。本文提供的設(shè)計方法對于常規(guī)測量儀表的設(shè)計也具有一定的參考價值。

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