【正文】 作出放大器參數(shù)測(cè)試儀1） 測(cè)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(cè)試參數(shù)的精度自定；3） 測(cè)試儀的功能，例如對(duì)測(cè)試的結(jié)果是否存儲(chǔ)、顯示、打印等自定。方案論證：方案一：基于模擬器件的信號(hào)處理方法整機(jī)測(cè)試指標(biāo)：放大器放大倍數(shù)，輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓。放大器輸出幅度的測(cè)量采用二級(jí)管檢波的方法進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用模擬除法電路對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而得到放大器的放大倍數(shù)?；谀M器件的信號(hào)處理系統(tǒng)是一種比較傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法，一般應(yīng)包括放大器、濾波器、乘法器、除法器等。但用于這種場(chǎng)合是不合適的，原因在于這一信號(hào)處理系統(tǒng)要用到除法器，而模擬除法器要達(dá)到比較高的精度，其造價(jià)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(jì)將不采用模擬器件作為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)。方案的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：完全依靠于數(shù)字化的測(cè)量，比如對(duì)最大不失真電壓的測(cè)量，可以利用CPLD進(jìn)行FFT，從而完成對(duì)信號(hào)頻譜的分析，得到最大不失真電壓和失真度的測(cè)量。缺點(diǎn)：成本高，編程任務(wù)重，同時(shí)針對(duì)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(cè)量對(duì)象是低頻放大器，因此對(duì)主控單元的處理速度要求不是非常嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中沒有采用此方案。而最大不失真電壓的測(cè)量采用了頻域計(jì)算的方法，通過(guò)時(shí)域的測(cè)量并進(jìn)行了變換得到了最大不失真電壓。缺點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性較差、系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)稍高，需要較多的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。綜上所述，我們選擇方案三，通過(guò)分析可以看到，方案一沒有充分應(yīng)用現(xiàn)在電子器件的大規(guī)模集成電路，因此，實(shí)現(xiàn)的功能不能夠達(dá)到智能儀器的要求；方案二雖然應(yīng)用了大規(guī)模集成電路，但是成本較高，同時(shí)由于測(cè)量的放大器是低頻放大器，因此對(duì)速度要求不是非常嚴(yán)格，因此完全可以利用單片機(jī)來(lái)作為主控單元，同時(shí)前端信號(hào)的產(chǎn)生，利用了AD公司的單片DDS專用芯片AD9850來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具備與單片機(jī)方便的接口，可以通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)其產(chǎn)生信號(hào)頻率的控制，縮短了整機(jī)的開發(fā)時(shí)間。1） 待測(cè)放大器：待測(cè)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到或超過(guò)題目當(dāng)中給定的測(cè)量指標(biāo)。由此可見，這樣的低頻模擬放大器基本可以滿足我們的測(cè)試要求。理想集成運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)：差模增益趨向于無(wú)窮大，輸入電阻趨向于無(wú)窮大，即兩個(gè)輸入端之間的等效電阻很大。關(guān)于集成運(yùn)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(diǎn)：同相輸入端與輸出端的信號(hào)相位相同，反負(fù)相輸入端與輸出端信號(hào)相位相反。在同相輸入端信號(hào)電壓不變時(shí)，反相輸入端的信號(hào)電壓增大，輸出端的信號(hào)電壓減小；反相輸入端的信號(hào)電壓減小，輸出端的信號(hào)電壓增大。從上式中可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)電壓UO1大于輸入信號(hào)UO2時(shí)，輸出信號(hào)電壓UO1大于零（為正）；當(dāng)輸入信號(hào)電壓UO1小于輸入信號(hào)UO2時(shí)，輸出信號(hào)電壓UO1小于零（為負(fù)）。1：反相放大器反相輸入運(yùn)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(huì)產(chǎn)生教大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐到幾百兆歐。反相放大器的實(shí)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(shì)為一定值的有源二端網(wǎng)絡(luò)，其等效輸出電阻是在無(wú)負(fù)載時(shí)輸出開路電壓Uo除以負(fù)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(duì)反相端的反饋電壓為零，反相端對(duì)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(jì)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(guò)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(guò)Ro的短路電流Io和經(jīng)R2流入地的電流I2之和。當(dāng)輸入交流信號(hào)時(shí)，由于運(yùn)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(hào)頻率ω〈〈ωn，則輸出阻抗Zoe≈Ro/（1+AdF），當(dāng)輸出頻率比較高時(shí)，輸出阻抗將有很大的變化。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。主要框圖如下：信號(hào)源待測(cè)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(cè)試原理框圖3）人機(jī)界面：主要由兩大部分組成，分別為上位機(jī)顯示界面和下位機(jī)操作系統(tǒng)所構(gòu)成。其中，利用鍵盤，用戶可以選擇要測(cè)量的放大器參量，從而進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)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(gè)系統(tǒng)的連接紐帶，負(fù)責(zé)向上位機(jī)傳送測(cè)得的數(shù)據(jù)；電源部分主要為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電源。對(duì)于前端信號(hào)利用了AD公司的專用集成芯片AD9850，它具有于單片機(jī)便捷的接口，因此可以通過(guò)軟件對(duì)輸出信號(hào)的頻率進(jìn)行控制，由于測(cè)量的對(duì)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(cè)量通過(guò)二極管檢波。為了保護(hù)AD9850，同時(shí)減小信號(hào)源的輸出阻抗，我們?cè)贏D9850的后側(cè)放了一級(jí)射隨，采用了AD813完成，此運(yùn)算放大器的帶寬為10MHZ,完全可以滿足我們的需要，信號(hào)經(jīng)過(guò)射隨之后，經(jīng)過(guò)檢波管進(jìn)行檢波，所得的直流進(jìn)入A/D,放大器的輸出信號(hào)也要經(jīng)過(guò)檢波管進(jìn)行檢波,防止檢波電路對(duì)前級(jí)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(jí)的緩沖，從而達(dá)到了相互隔離的目的。鑒于此種原因，我們選擇了模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的切換測(cè)量。圖26 幅頻特性測(cè)試電路（一）圖27 幅頻特性測(cè)試電路（二） 2） 輸入阻抗測(cè)量電路的選取在輸入阻抗測(cè)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(gè)待測(cè)電阻，建立起來(lái)這個(gè)概念之后，對(duì)于輸入阻抗測(cè)量電路的選取，就有了一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。具體的電路如下圖所示。3） 輸出阻抗電路的選擇對(duì)于輸出阻抗的測(cè)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?cè)诜糯笃鬏敵鰰r(shí)接入兩種不同的負(fù)載，一種是無(wú)窮大，相當(dāng)于開路時(shí)測(cè)量放大器輸出的電壓值，一種情況是接入一個(gè)阻值賦在很小的負(fù)載，這樣由于放大器本身存在內(nèi)阻，導(dǎo)致有一部分電壓會(huì)落在內(nèi)阻上，從而通過(guò)檢測(cè)電壓值，便可以計(jì)算出放大器的輸出阻抗。圖29 輸出阻抗測(cè)試電路4） 最大不失真電壓測(cè)量的電路選取對(duì)于最大不失真的測(cè)量，已經(jīng)在前面的方案選擇里講到了很多種的實(shí)際測(cè)量方法，可以利用時(shí)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(duì)放大器的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，從而得到電壓的頻譜，再設(shè)計(jì)作品的實(shí)際過(guò)程中，我們利用了Tektronix TDS220數(shù)字示波器對(duì)放大器地輸出電壓進(jìn)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(dāng)放大器的輸出電壓出現(xiàn)失真時(shí)，它的基波分量和三次諧波分量會(huì)有較大的變化，特別是三次諧波分量會(huì)很快上升，而基波分量有小幅度的下降，從而在對(duì)輸出電壓進(jìn)行FFT之后，對(duì)其的基波與三次諧波的幅度進(jìn)行比較，便可以得到該放大器的輸出電壓是否失真，并可以得到最大不失真電壓。由于測(cè)量對(duì)象屬于低頻放大器，因此產(chǎn)生信號(hào)的頻率范圍是從0500KHZ；AD9850采用32位頻率控制字，由于單片機(jī)是8BIT數(shù)據(jù)寬度，因此需要4個(gè)字節(jié)便可以完成對(duì)9850頻率的設(shè)置；對(duì)于頻率與頻率控制字之間的關(guān)系，如下公式所示：其中公式當(dāng)中的Fout是AD9850輸出的頻率值；頻率控制字；CLKIN是AD9850的主振時(shí)鐘。通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)ad9850的操作就很容易的得到了測(cè)量放大器的前端信號(hào)源。 TLC0832的基本特性：TLC0832是八位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它有兩個(gè)可選擇的輸入通道。CS在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須置為低電平，接著從處理器接受一個(gè)時(shí)鐘。而當(dāng)DO脫離高阻狀態(tài)時(shí)，可提供一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間間隔的前導(dǎo)低電平，以使多路器穩(wěn)定。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)同時(shí)從DO端輸出，并以最高位(MSB)開頭。如果希望開始另一個(gè)轉(zhuǎn)換，CS必須有一個(gè)從高到低的跳變，且后面應(yīng)緊跟著輸入地址數(shù)據(jù)。用多路器地址選擇模擬輸入通道的方法如表21所列，其工作時(shí)序圖如圖1所示。在有些場(chǎng)合速度要求較高而問(wèn)題又比較復(fù)雜（如：數(shù)字濾波技術(shù)）就需要我們另辟蹊徑了，比如DSP器件就是專為解決這些問(wèn)題設(shè)計(jì)的。這些技術(shù)的綜合運(yùn)用使得DSP器件執(zhí)行一條指令的時(shí)間以nS計(jì)。本系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)，由于其優(yōu)良的性能和低廉的價(jià)格，用在本系統(tǒng)的數(shù)字處理機(jī)部分是非常合適的。AT89C51單片機(jī)是51系列單片機(jī)性價(jià)比較高的一種，內(nèi)含4K電可擦ROM、128字節(jié)RAM。這些資源在大多數(shù)場(chǎng)合已足夠用，這里也不例外，因此本設(shè)計(jì)的數(shù)字處理機(jī)電路非常簡(jiǎn)潔。B：利用單片機(jī)、I/O口直接驅(qū)動(dòng)輸入方法和完成對(duì)鍵盤的控制。另一方面，考慮到本設(shè)計(jì)中單片機(jī)負(fù)荷較重，需要同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理，并控制多個(gè)模塊工作，難以再給出I/O口來(lái)對(duì)鍵盤和數(shù)碼管進(jìn)行控制，因而B方案也是不合適的。實(shí)踐證明這樣的設(shè)計(jì)是行之有效的。而Microsoft公司的VC++，其基礎(chǔ)類庫(kù)（MFC）封裝了WIN32 API中的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)，可方便的支持串口通信。二者通過(guò)RS232串行口接收或上傳數(shù)據(jù)和指令。在此使用的集成電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232為RS232C/TTL電平轉(zhuǎn)換芯片。其原理圖如下圖所示，轉(zhuǎn)換完畢的串口信號(hào)TXD、RXD直接和單片機(jī)AT89C51相連接。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。其電路圖如圖215所示，圖216 放大器原理圖圖217 放大器電路圖2) 輸入阻抗測(cè)量電路的設(shè)計(jì)在輸入阻抗電路設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程中，考慮到了幾個(gè)參數(shù)的選取，包括檢波器的輸入阻抗，檢波二極管的抬升電壓的獲取，放大器輸入端固定電阻的阻值選取；為了提高檢波器的輸入阻抗，在檢波管的后級(jí)電阻選取了大電阻，為了提高低頻信號(hào)的檢波質(zhì)量，與其并聯(lián)的電容也選取了較大值，根據(jù)實(shí)際效果，檢波電阻為50K，檢波電容為10UF，通過(guò)實(shí)際測(cè)量，可以滿足電路的要求。根據(jù)實(shí)際情況，選擇的檢波管型號(hào)為2AP9，屬于鍺管，實(shí)際證明，效果很好。3）幅頻特性電路參數(shù)的計(jì)算在幅頻特性測(cè)量上，也應(yīng)用了檢波電路，具體電路參數(shù)與輸入阻抗的參數(shù)計(jì)算過(guò)程近似。防止出現(xiàn)這種失真，我們?cè)诜糯笃鞯妮敵龆思恿艘患?jí)射隨器，這樣解決了放大器失真的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們采用了雙負(fù)載對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行提取，對(duì)于雙負(fù)載的切換，并沒有采用模擬開關(guān)，而是采用繼電器，因?yàn)檩敵鲎杩贡旧砭洼^小，采用模擬開關(guān)，由于其本身存在導(dǎo)通電阻的問(wèn)題，因此會(huì)給測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。放大器的雙負(fù)載，在實(shí)際過(guò)程中，我們分別選擇了100K和100歐姆，因此可以對(duì)放大器的輸出阻抗進(jìn)行測(cè)量。1）主程序設(shè)計(jì)初始化部分用于加載各特殊功能寄存器的值，和一些重要的寄存器初始狀態(tài)，然后檢測(cè)是否開始測(cè)量，這時(shí)程序不停檢查各測(cè)量標(biāo)志位的狀態(tài)，一旦有要測(cè)量的指標(biāo)，馬上跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序完成對(duì)相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)量，放入暫存器保存當(dāng)前值，以備用于上傳到PC機(jī)。3）定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)定時(shí)器中斷程序主要用于控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率，由于在測(cè)量放大器的輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓的過(guò)程中，要通過(guò)信號(hào)源加入一定頻率的正弦信號(hào)，然后通過(guò)測(cè)量輸入信號(hào)與待測(cè)量點(diǎn)之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算出各個(gè)放大器的參數(shù)，信號(hào)源提供的頻率為300HZ,因此采樣速率我們?cè)O(shè)置為5K,因此在一個(gè)周期當(dāng)中相當(dāng)于采集了16個(gè)點(diǎn)，總共采集點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn)，在測(cè)來(lái)能夠最大不失真電壓的時(shí)候，我們利用的單片機(jī)進(jìn)行FFT變換，實(shí)踐證明由128個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行FFT變換得到信號(hào)的頻譜是比較好的。180。==EBFES時(shí)鐘周期定時(shí)時(shí)間初值定時(shí)時(shí)間144）串行通訊中斷子程序設(shè)計(jì)串行通訊主要用于接收微機(jī)的控制信號(hào)，和握手信號(hào)，握手信號(hào)是一個(gè)特殊數(shù)值，當(dāng)單片機(jī)接到這個(gè)信號(hào)后，馬上在返回給微機(jī)這個(gè)信號(hào)，這樣微機(jī)就可以判斷出和本系統(tǒng)是否連上，為下一步的處理做準(zhǔn)備，由于程序很簡(jiǎn)單，在此就不多作介紹了，詳細(xì)情況參見源程序清單。第二節(jié) 顯示與鍵盤處理程序設(shè)計(jì)顯示與鍵盤處理程序擔(dān)負(fù)著原始數(shù)值信號(hào)到顯示七段碼的變換，對(duì)數(shù)碼管和鍵盤的掃描等功能。MXA7219時(shí)序圖如下圖所示：圖31 MAX7219時(shí)序圖鍵盤程序采用中斷設(shè)計(jì)方法，通過(guò)與門連接到單片機(jī)的中斷口上，我們利用了中斷INT0，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)4*4鍵盤的掃描。四、上位機(jī)程序設(shè)計(jì)對(duì)于單片機(jī)與PC機(jī)通訊采用了協(xié)議，傳輸波特率為9600，通過(guò)VC++ ，在WINDOWS 環(huán)境下提供了完備的API應(yīng)用程序接口函數(shù)，程序員通過(guò)這些函數(shù)與通信硬件接口。發(fā)送過(guò)程較易實(shí)現(xiàn)，接收處理方式主要有查詢和中斷方式。因此在上位機(jī)程序的編寫過(guò)程中采用的是中斷接收方式?，F(xiàn)將雙方的通訊協(xié)議介紹如下：波特率為9600bit ,N81(無(wú)奇偶校驗(yàn)，8數(shù)據(jù)位，1停止位),每個(gè)字節(jié)使用ASCII碼 幅頻特性（單位：橫軸K歐姆，縱軸倍數(shù)）A 總點(diǎn)數(shù) X