【正文】 一、題目要求和方案論證題目要求：1）制作出放大器參數(shù)測試儀1） 測試參數(shù)的種類、數(shù)量自定，電壓增益不小于1000，輸出幅度不小于10V；2） 測試參數(shù)的精度自定；3） 測試儀的功能，例如對測試的結(jié)果是否存儲、顯示、打印等自定。方案論證：方案一：基于模擬器件的信號處理方法整機測試指標：放大器放大倍數(shù)，輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓。電路實現(xiàn)方法：前端信號采用8038集成函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生測量信號，頻率的改變利用改變外界的電阻方法來實現(xiàn)。放大器輸出幅度的測量采用二級管檢波的方法進行測量，同時利用模擬除法電路對輸入信號和輸出信號進行運算，從而得到放大器的放大倍數(shù)。對于最大不失真電壓的測量采用模擬濾波法，眾所周知，在放大器輸出電壓失真的情況下，會產(chǎn)生諧波分量，利用低通和高通濾波器，我們便可以將基波分量和諧波分量分離出來，從而得到基波分量與諧波分量的比值，根據(jù)比值的大小，我們便可以判斷出失真與否，還有失真的程度，即完成了對放大器參數(shù)的測量?；谀M器件的信號處理系統(tǒng)是一種比較傳統(tǒng)的信號處理方法，一般應包括放大器、濾波器、乘法器、除法器等。這種系統(tǒng)實時性比較好，而且如果沒有對精度的特殊要求，它的造價一般也比較低。但用于這種場合是不合適的，原因在于這一信號處理系統(tǒng)要用到除法器，而模擬除法器要達到比較高的精度，其造價是比較高的，而且調(diào)試也比較困難，穩(wěn)定性很難保證，因此本設(shè)計將不采用模擬器件作為核心的信號處理系統(tǒng)。方案二：基于CPLD作主控單元數(shù)字測量與分析方法整機測試指標：幅頻特性、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓、失真度的測量；電路實現(xiàn)方法：前級信號源利用FPGA來實現(xiàn)，通過DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率和幅度可程控的信號源，用于對放大器的測量；后級輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓，失真度的測量，采用CPLD控制外接高速AD進行數(shù)據(jù)采集與處理，從而得到對放大器參數(shù)的測量。方案的優(yōu)缺點：優(yōu)點：完全依靠于數(shù)字化的測量，比如對最大不失真電壓的測量，可以利用CPLD進行FFT，從而完成對信號頻譜的分析，得到最大不失真電壓和失真度的測量。此種方案處理速度快，實時性好。缺點：成本高，編程任務(wù)重，同時針對題目的要求，由于電壓增益不小于1000倍，輸出幅度不小于10V,可以很明顯的看出，測量對象是低頻放大器，因此對主控單元的處理速度要求不是非常嚴格，因此設(shè)計過程中沒有采用此方案。方案三：基于單片機作為主控單元，利用數(shù)字器件的測量整機測試指標：幅頻特性、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓；電路實現(xiàn)方法：信號源采用AD9850進行生成，采用AD9850的最大優(yōu)點是頻率可控，頻率穩(wěn)定度高，且幅度穩(wěn)定，一般不需要外界的附加電路便可以實現(xiàn)，從而給電路的設(shè)計帶來方便，放大器的輸入阻抗測量采用等效電阻法進行測量，放大器的輸出阻抗利用雙重負載法進行測量，大負載接入放大器輸出端，可以將電壓信號完全采集出來，而利用小負載時，由于放大器本身存在內(nèi)阻，因此當小負載可以和放大器的輸出電阻相匹配的時候，便可以等效為放大器的輸出電阻和小電阻進行分壓，從而利用公式可以求得放大器的輸出電阻。而最大不失真電壓的測量采用了頻域計算的方法，通過時域的測量并進行了變換得到了最大不失真電壓。另外系統(tǒng)采用此方案，有許多優(yōu)點，例如不易受干擾、重復性好、調(diào)試容易、穩(wěn)定性好等，最突出的是精度高。缺點是：實時性較差、系統(tǒng)復雜，造價稍高，需要較多的開發(fā)經(jīng)驗。對于這一系統(tǒng)，由于對實時性要求不是太高，而精度是主要矛盾，因此我們決定選取基于數(shù)字器件的信號處理系統(tǒng)，來完成本設(shè)計。綜上所述，我們選擇方案三，通過分析可以看到，方案一沒有充分應用現(xiàn)在電子器件的大規(guī)模集成電路，因此，實現(xiàn)的功能不能夠達到智能儀器的要求；方案二雖然應用了大規(guī)模集成電路，但是成本較高，同時由于測量的放大器是低頻放大器，因此對速度要求不是非常嚴格，因此完全可以利用單片機來作為主控單元，同時前端信號的產(chǎn)生，利用了AD公司的單片DDS專用芯片AD9850來實現(xiàn)，它具備與單片機方便的接口，可以通過單片機編程實現(xiàn)對其產(chǎn)生信號頻率的控制，縮短了整機的開發(fā)時間。二、整機工作原理與功能實現(xiàn) 系統(tǒng)的方框圖設(shè)計待測放大器人機界面放大器測試儀123 圖21 系統(tǒng)設(shè)計方框圖以上框圖中表示的為放大器參數(shù)測試儀的主要組成。1） 待測放大器：待測放大器的主要技術(shù)指標均已達到或超過題目當中給定的測量指標。經(jīng)過直接測量，放大器的最大放大倍數(shù)為1200倍，輸出最大不失真電壓為14V,輸入阻抗為10K，輸出阻抗為50100歐姆。由此可見，這樣的低頻模擬放大器基本可以滿足我們的測試要求。待測放大器電路采用集成運算放大器完成，集成運算放大器性能指標大大優(yōu)于晶體管組成的分立元件放大器。理想集成運算放大器的主要特點：差模增益趨向于無窮大，輸入電阻趨向于無窮大，即兩個輸入端之間的等效電阻很大。集成運放的共模抑制比很大，通常大于80至100dB。關(guān)于集成運放的輸出端與輸入端之間相位關(guān)系特性主要有下列幾點：同相輸入端與輸出端的信號相位相同，反負相輸入端與輸出端信號相位相反。在反相輸入端信號電壓不變時，同相輸入端的輸入信號電壓增大，輸出端的信號也在增大；同相輸入端的輸入信號電壓減小，輸出端的信號也在減小。在同相輸入端信號電壓不變時，反相輸入端的信號電壓增大，輸出端的信號電壓減小；反相輸入端的信號電壓減小，輸出端的信號電壓增大。集成運放的輸出電壓由下式?jīng)Q定：Uo＝Ao（Ui1－Ui2）式中：Uo為集成運放的輸出電壓；Ao為集成運放的開環(huán)放大倍數(shù)；　Ui1為集成運放同相輸入端信號電壓；Ui2為集成運放反相輸入端信號電壓。從上式中可以看出，當輸入信號電壓UO1大于輸入信號UO2時，輸出信號電壓UO1大于零（為正）；當輸入信號電壓UO1小于輸入信號UO2時，輸出信號電壓UO1小于零（為負）。為了電路分析和計算的方便，需要將電路中的集成運放看成是一個理想的集成運算放大器，顯然當集成運算放大器的性能愈好時，計算和誤差就會愈小，所設(shè)計的實際電路與理論計算就愈接近。1：反相放大器反相輸入運算放大器的輸入輸出關(guān)系為+_++Uo_+Ui_R1RfRpUo= Auf Ui=Rf Ui/R1輸入電阻 Ri=R1輸出電阻Ro≈0平衡電阻Rp=R1//Rf 圖22 反相放大器電路反饋電阻的阻值不可太大，否則會產(chǎn)生教大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐到幾百兆歐。R1的取值應遠小于信號源的內(nèi)阻。反相放大器的實際輸出電阻在一定的輸入電壓Ui作用下，反相放大器的輸出端可以看作是電勢為一定值的有源二端網(wǎng)絡(luò)，其等效輸出電阻是在無負載時輸出開路電壓Uo除以負載短路電流Ik，Roe=Uo/Ik如下圖23所示，由于輸出端短路接地，輸出對反相端的反饋電壓為零，反相端對地的電壓為輸入電壓Ui的分壓值+UiR1UR2RdR3I2Ro+EoIoIk圖23 放大器輸出電阻等效計算電路U =Ui[R2//（Rd+R3）]/[R1+R2//（Rd+R3）] =UiR2（Rd+R3）/[R2（Rd+R3）+R1（R2+R3+Rd）]差模輸入電壓經(jīng)過差模放大后的輸出電壓為Eo= Ad（U—U+）=AdURd/（Rd+R3）反相放大器的輸出短路電流Ik是Eo經(jīng)過Ro的短路電流Io和經(jīng)R2流入地的電流I2之和。則有Ik=Eo/Ro+U/R2=[AdR2Rd+Ro（Rd+R3）]Ui/{Ro[R2（Rd+R3）+R1（R2+R3+Rd）]}由以上式子可求得反相放大器的等效輸出電阻為Roe=Uo/Ik={Ro[R2（Rd+R3）+R1（R2+R3+Rd）]}/[RdR1Ad+（Rd+R3）（R2+Ro）+R1（R2+R3+Rd+Ro）]因為Ro〈〈RR2，則Roe≈Ro/（1+Ad F）可見反相放大器的輸出電阻與集成運放的輸出電阻Ro相比，降低了（1+Ad F）倍。當輸入交流信號時，由于運放的開環(huán)增益是頻率的函數(shù)，反相放大器的輸出阻抗也是頻率的函數(shù)，則Zoe=Zo/[1+Ad（jω）F]一般信號頻率ω〈〈ωn，則輸出阻抗Zoe≈Ro/（1+AdF），當輸出頻率比較高時，輸出阻抗將有很大的變化。2：同相放大器 同相放大器的電路圖如下圖24所示：+_++Uo_+Ui_R1RfRp圖24 同相放大器電路輸入與輸出之間的關(guān)系為 Uo=（R1+Rf）Ui/R1輸入電阻 Ri=ric此式中ric 為運放本身同相端對地的共模輸入電阻，一般比較大，約為100兆歐母左右。同相放大器的輸出電阻與反相放大器的輸出電阻一樣 Ro≈0平衡電阻為 Rp=R1//Rf同相放大器與反相放大器相比，同相放大器具有很高的輸入電阻和很低的輸出電阻是很好的阻抗變換器。2）放大器測試儀：這是測試放大器的最關(guān)鍵的部分，此部分可以實現(xiàn)對輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓，幅頻特性的測量。主要框圖如下：信號源待測放大器檢波器多路開關(guān)A/D數(shù)據(jù)采集主控器MCU鎖存器圖25 放大器參數(shù)測試原理框圖3）人機界面：主要由兩大部分組成，分別為上位機顯示界面和下位機操作系統(tǒng)所構(gòu)成。對于下位機的操作系統(tǒng)主要包括，鍵盤部分，數(shù)碼管顯示部分，數(shù)據(jù)上傳部分，電源部分所構(gòu)成。其中，利用鍵盤，用戶可以選擇要測量的放大器參量，從而進行相應的測量；數(shù)碼管顯示部分，可以顯示用戶操作是否正確，操作的提示信息等附加功能；數(shù)據(jù)上傳部分是整個系統(tǒng)的連接紐帶，負責向上位機傳送測得的數(shù)據(jù)；電源部分主要為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源。各級電路的選取以及工作原理1）幅頻特性測量電路的選取采用檢波法測量輸入輸出的信號幅度，然后進行除法運算，從而達到了測量幅頻特性的目的。對于前端信號利用了AD公司的專用集成芯片AD9850，它具有于單片機便捷的接口，因此可以通過軟件對輸出信號的頻率進行控制，由于測量的對象是低頻放大器，因此我們使AD9850輸出的頻率范圍是從0—500KHZ, 幅度的測量通過二極管檢波。在實際電路當中，根據(jù)實際需要對電路參數(shù)進行了恰當?shù)脑O(shè)置。為了保護AD9850，同時減小信號源的輸出阻抗，我們在AD9850的后側(cè)放了一級射隨，采用了AD813完成，此運算放大器的帶寬為10MHZ,完全可以滿足我們的需要，信號經(jīng)過射隨之后，經(jīng)過檢波管進行檢波，所得的直流進入A/D,放大器的輸出信號也要經(jīng)過檢波管進行檢波,防止檢波電路對前級放大器輸出造成影響，因此在放大器與檢波器之間加了一級的緩沖，從而達到了相互隔離的目的。檢波之后，得到的直流進入A/D轉(zhuǎn)換，A/D的輸入切換通過模擬開關(guān)來實現(xiàn)，雖然模擬開關(guān)在導通時有一定的內(nèi)阻，但是電路采用模擬開關(guān)，切換的是電壓信號，用模擬開關(guān)便可達到這一目的，并且不會給系統(tǒng)帶來特別大的誤差；如果采用繼電器，雖然導通內(nèi)阻為零，但是切換速度不能過快，給系統(tǒng)的實時性造成影響。鑒于此種原因，我們選擇了模擬開關(guān)實現(xiàn)對電壓信號的切換測量。A/D轉(zhuǎn)換器，我們采用的是TI公司的8位串行單通道AD TLC0831，它占用外界資源少，接口簡單，編程方便。圖26 幅頻特性測試電路（一）圖27 幅頻特性測試電路（二） 2） 輸入阻抗測量電路的選取在輸入阻抗測量電路的選取上，我們首先考慮到把放大器的輸入阻抗等效為一個待測電阻，建立起來這個概念之后，對于輸入阻抗測量電路的選取，就有了一個整體的認識。將前端信號源和放大器的輸入端之間串入了一個已知阻值的電阻，然后通過檢波管對信號源的幅值和放大器等效輸入阻抗上的電壓幅值進行檢波，送入A/D，并且通過單片機進行計算，便可以得到放大器的輸入電阻。具體的電路如下圖所示。圖28 輸入阻抗測試電路需要說明的是，對于測量放大器的輸入阻抗時上端已知電阻的選取到底以何種標準為宜，經(jīng)過我們反復的測試，發(fā)現(xiàn)這個已知電阻的選取既不能太大，又不能太小，太大則導致落在放大器等效輸入阻抗的電壓值過小，測量不準確；同理，如果阻值過小，導致信號源的壓降全都落在放大器的等效輸入電阻上，也不能精確的測量放大器的輸入電阻值。3） 輸出阻抗電路的選擇對于輸出阻抗的測量的方法與輸入阻抗有類似的方面，輸出阻抗也可以等效，這樣我們在放大器輸出時接入兩種不同的負載，一種是無窮大，相當于開路時測量放大器輸出的電壓值，一種情況是接入一個阻值賦在很小的負載，這樣由于放大器本身存在內(nèi)阻，導致有一部分電壓會落在內(nèi)阻上，從而通過檢測電壓值，便可以計算出放大器的輸出阻抗。具體電路形式見下圖。圖29 輸出阻抗測試電路4） 最大不失真電壓測量的電路選取對于最大不失真的測量，已經(jīng)在前面的方案選擇里講到了很多種的實際測量方法，可以利用時域分析法，頻域法；在這里我們采用了頻域分析的方法，利用A/D轉(zhuǎn)換器對放大器的輸出電壓進行測量，并對采集的數(shù)據(jù)進行FFT變換，從而得到電壓的頻譜，再設(shè)計作品的實際過程中，我們利用了Tektronix TDS220數(shù)字示波器對放大器地輸出電壓進行了頻譜分析，得到了其基波與各次諧波之間的頻譜幅度關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)，當放大器的輸出電壓出現(xiàn)失真時，它的基波分量和三次諧波分量會有較大的變化，特別是三次諧波分量會很快上升，而基波分量有小幅度的下降，從而在對輸出電壓進行FFT之后，對其的基波與三次諧波的幅度進行比較，便可以得到該放大器的輸