【北京交通大学】齐大成_差分放大电路测试仪_输出端 - 嘉立创EDA开源硬件平台

本差分放大电路测试仪采用STM32F411作为微处理器，通过将不同的信号输入至差分放大电路并测量放大后的信号，来完成对该放大电路放大倍数、输入电阻、幅频特性的测量。同时该测试仪也可以作为正弦差分信号发生器使用，能够产生频率可调、幅度可调的正弦差分信号。其中共模信号又PWM经过低通滤波后得到，差模信号由AD9833产生。同时将共模信号与差模信号输入加、减法电路，即可输出差分信号。差分信号源产生的差分信号经过差分放大电路后，先经过减法电路以过滤共模信号，并将得到的差分信号经过高通滤波，由峰值检波电路保持后通过ADC检测。STM32F411负责控制测量过程、对所测数据进行分析处理，计算得到差分放大电路的输入输出电阻和频率特性，同时通过OLED绘制相应的特性曲线，从而完成对差分放大电路的特性测试。本系统具有低功耗，成本低廉，控制方便，人机交互友好，工作性能稳定等特点，不失为差分放大电路测试仪的一种优越方案。 1.系统方案设计 1.1差分信号源 1.1.1 方案提出 方案1 ：通过电阻分压得到直流信号，经过电压跟随器与同向放大器得到直流信号。STM32F411控制AD9833产生频率和相位可调的正弦信号，通过电压跟随器跟随电压后使用数字电位器分压，通过按键改变数字电位器阻值可控制正弦信号的幅度。将直流信号与正弦信号分别输入加、减法电路，输出差分信号源。 方案2 STM32F411控制DDS产生频率、相位偏移可调的正弦信号，通过电压跟随器跟随电压后使用数字电位器分压，通过按键改变数字电位器阻值可控制正弦信号的幅度。由于此处使用的DDS可以调节偏移，故将该信号经过低通滤波后得到直流信号，将直流信号与正弦信号分别输入加、减法电路，即可输出频率和幅度可控的差分信号源。 方案3 将PWM 信号经过低通滤波得到直流信号，通过控制占空比可改变直流信号值。STM32F411控制AD9833产生频率和相位可调的正弦信号，通过电压跟随器跟随电压后使用数字电位器分压，通过按键改变数字电位器阻值可控制正弦信号的幅度。将直流信号与正弦信号分别输入加、减法电路，即可输出频率和幅度可控的差分信号源。 1.1.2 比较与选择 以上三种方案中除方案2外均使用AD9833产生差模信号，而方案二中所需要的能够调节偏移量大小的DDS芯片型号较少，故首先放弃方案二。方案一中产生共模信号的方法是通过数字电位器进行分压，而市面上常见的数字电位器阶数为100阶，题目所要求的共模信号恰分为100阶，因此若欲通过数字电位器进行分压，则该电位器两端电压应在 范围内变化，精度要求较大。而且不能产生用户输入的任意共模信号，故放弃方案一。方案三利用PWM实现了直流信号值可单独调整的功能，此处PWM可以通过AD9833产生，也可以通过STM32产生，综合考虑了电路实现、代码实现等方面的因素，我们认为使用STM32输出PWM波的方案3为较好的方案。 考虑到数字电位器并不会准确地划分电阻，故差模信号的输出会存在一定的误差，同时PWM滤波也会存在一定的误差，而以上两个误差均能通过软件方式进行消除，测量出不同输出所对应的参数并记录在MCU中，在需要输出特定信号时，查找对照表以确定参数设置，这样便尽可能地保证了输出的精度。 1.2差分信号检测电路 经过实际测量，输入信号峰峰值在40mV时，输出信号便会出现失真现象，而即使输入差模信号幅值为100mV，输出的差模信号幅值也不会超过运放的供电电压±5V，故我们便直接将差分信号通过减法电路，得到放大后的差模信号，考虑到现实放大电路并不完全理想，故再通过了一个二阶高通滤波器滤除直流干扰。而后先经过电阻分压，将电压调整为STM32的ADC可以测量范围内后进行测量。对于差分信号测量电路，我们提出了两种方案，分别是： 1. 直接使用ADC测量差分信号输出，取其中最大值为差分信号幅值。 2. 将差分信号通过峰值检波电路，测量峰值检波电路的输出 考虑到STM32F4系列的ADC最大频率为25MHZ，且每次采样应至少经过3次循环，若欲直接测量交流信号的幅值，有可能会错过峰值，测量结果为在3个循环内的均值，也并不准确，且经过3个循环的测量虽然测量速度快，但是可能会出现误差，影响判断。故在此我们选择使用方案二：将差分信号通过峰值检波电路，测量峰值检波电路的输出。 由于传统峰值检波电路有局限性，在对幅值较大的信号进行检波之后很难将存储的电压泄放出去，故增加了一个如图1-1所示的由三级管控制的泄压阀，以实现峰值检波电路的“复位功能”。通过本泄压阀，MCU可以在每次测量前“复位”峰值检波电路，以等待进行下一次检波。 1.3 差分放大电路参数测量 本差分放大电路特性测试仪应能够测量：放大倍数、输入电阻、幅频特性、上限截止频率共4个参数，简单分析其测量方法可以发现，幅频特性的测量即是测量不同输入频率下的放大倍数，上限截止频率的测量即为寻找幅频特性中满足放大倍数为中频放大倍数的 倍的频率，故可以将以上4个参数的测量简化为2个参数的测量，分别为：放大倍数、输入电阻。 1.3.1 放大倍数的测量 对于放大倍数的测量，应首先操作差分信号源输出指定参数的差分信号，后启动泄压阀释放存储的电压，当峰值检波电路中电压释放完毕后关闭泄压阀，等待检波电路输出稳定后测量输出，通过此输出计算出实际放大后的差模信号幅值，并于输入的差模信号幅值相除，得到放大倍数。 测量电路实际放大倍数时，应保证输出的差模信号不会出现失真现象，经实际测量，选择峰峰值为30mV的输入信号进行放大倍数的测量是比较合适的。 1.3.2 输入电阻的测量 由于输入端没有隔直电容，直接在输入端加入电阻会导致放大电路的输入电阻发生变化，为降低这种变化所带来的误差，加入的电阻阻值应合理。通过实际测量得到输入电阻大小在10k左右，故此处我们添加了1k的电阻以进行输入电阻的测量。 忽略电阻的加入对放大电路的影响，测量加入电阻前后放大电路的放大倍数的变化。在加入电阻前，测量出的放大倍数为放大电路实际放大倍数，在加入电阻之后，测量出的放大倍数应出现一定幅度的降低，这是因为实际输入放大电路的信号经过了分压，变为了差分信号源输出的信号的 倍，而实际放大电路的放大倍数应不变。记第一次测量的放大倍数为 ，第二次测量的放大倍数为 ，故可列出下方等式： 通过简单计算便可得到放大电路输入电阻。 2.理论分析与计算 2.1差分信号源 2.1.1 二阶有源低通滤波器 STM32F411产生的方波信号经过二阶有源低通滤波器后转化为直流信号，图2-1为二阶有源低通滤波器原理图。 增益 ，故应短接 。 截止频率： 参数选择为R1=R2=2kΩ，R3=1kΩ，C1=2μF，C2=1μF，R4短接。增益 ，故应短接 。 截止频率： 参数选择为R1=R2=2kΩ，R3=1kΩ，C1=2μF，C2=1μF，R4短接。 2.1.2 二阶有源高通滤波器 AD9833产生的带直流偏置的正弦信号经过二阶有源高通滤波器去掉直流偏置，图2-2为二阶有源高通滤波器原理图 增益： ，故应短接 截止频率： 参数选择为R1=2.2kΩ，R2=1.1kΩ，R3=1kΩ，C1=C2=10uF，R4短接。 2.2 差分信号检测电路 2.2.1峰值检波电路 图 2-4 中的电路用于捕捉输入电压（IN）的峰值。当IN为正时，D1为反向偏置，D2 为正向偏置，而且在反馈电阻器R2中没有电流流动。于是，输出电压（OUT）跟踪输入电压（IN），且外面的反馈环路把U1的输入驱动至虚短路，此时U1快速给C1充电。由于U2被配置为一个电压跟随器，因此输出电压跟踪电容器C1上的电压。C1由U1的输出电流通过D2充电至该电压。R1负责防止U1超过其短路输出电流，并把U1与C1的电容相隔离，从而避免发生振铃或甚至振荡。故该电路可以将输出电压（OUT）保持为最大的输入电压。 参数选择：R1=100Ω，R2=1KΩ，C1=10nF，U1和U2为NE5532。 3.电路与程序设计 3.1系统组成 本系统由5部分组成，如图3-1所示，分别为数据处理系统、数据输入系统、显示系统、差分信号源系统、差分信号检测系统。 其中数据处理系统主要有STM32F411组成，负责数据的处理。数据输入系统主要由矩阵键盘组成，负责完成用户向系统输入数据的操作。显示系统主要由OLED显示屏幕组成，负责将结果显示与屏幕上。差分信号源系统负责接收数据处理系统所给出的要求，并产生对应的差分信号。差分信号检测系统负责检测差分信号输出并将数据传递给数据处理系统。 3.2差分信号源 3.2.1 原理图 3.2.2 仿真结果 图3-2显示了正弦信号幅值600mV，PWM占空比为90时差分信号源的输出波形； 图3-3显示了正弦信号幅值200mV，PWM占空比为30时差分信号源的输出波形。 3.3差分信号检测电路 3.3.1 原理图 3.4 工作流程图 考虑到STM32无法多线程并行运行，故在进行测试时会出现无法响应用户按键等状况产生，本团队在程序设计上尽可能降低单线程阻塞时长，提供更流畅的人机交互与更舒适的UI界面。 3.4.1 放大倍数的测量 当差分信号源将持续输出差分信号后，开始测量放大倍数。首先打开泄压阀，将峰值检波电路中存储的电压释放掉后，关闭泄压阀。等待检波电路输出稳定后读取放大后的电压，并与设置参数相除，以计算放大倍数。其具体流程如图3-6所示： 3.4.2 测量差分放大电路参数 测量差分放大电路参数时，应首先调整输入信号参数并测量此时的放大倍数 ，测量结束后接入1K电阻并再次测量放大倍数 ，利用 并结合1.3.2中所给公式，计算出差分放大电路实际输入电阻。 完成以上测量后，将输入信号频率调整至1000HZ，峰峰值为30mV，并以1000HZ为步长开始扫频，以绘制幅频特性曲线。当找到放大倍数下降为0.707倍时，利用二分法继续查找上限截止频率，即不断缩小步长至1HZ，以保证所得到的上限截止频率理论误差在1HZ以内。 当然，以上所进行的放大倍数测量均应使用3.4.1中所介绍的测量方法，以保证测量的准确性。 4. 测试方案与测试结果 4.1测试差分信号源 测试差分信号源时，直接使用线材将两个输出分别接入示波器的通道1、2，并使用通过示波器math功能中的减操作，观察差分转单端信号，将光标测量输出的差模信号幅值与实际设置的差模信号幅值进行对比，判断输出的差模信号是否满足要求。 图4-1展示的为设置输出差模信号为50mV时实际差模信号的幅值，此时误差为2mV，满足要求。使用此方法继续测量，可以得出结论：我们所计的差分信号源满足设计要求。 4.2测试差分信号检测电路 使用示波器测量差分放大电路得实际输出与经过峰值检波电路后得输出，如图4-2所示。 将峰值检波电路输出推算至实际输出，并计算两者误，经过多次计算后取平均值，得到：峰值检波电路输出与实际电路输出相差约2.3mV，在可以接受的范围内。 4.3 测试系统功能 使用线材连接测试仪与被测电路，并多次进行测试，统计完整一次测量的总用时，记录每次测量所得到的测量结果并计算方差。测量得系统平均用时为23.4s。 由测量结果可见，本系统运行速度较快，且在不同次测量下，各个参数方差均较小，这可以说明本系统运行稳定，测量结果偏差较小。