题目-A题-集成运放参数测量装置

任务

设计并制作运放参数测量装置，装置上需提供用于插接被测集成运放芯片的 DIP8 插座。装置为集成运放提供 ±12V 双路电源，测量集成运放空载时的单位增益带宽、压摆率和静态功耗参数。

要求

  1. 装置能够产生测量所需的正弦信号，频率和电压幅度可设可调，最大峰峰值不小于 1V，最大频率不小于 2MHz。频率相对误差绝对值不大于 5%。（20分）
  2. 装置能够测量并显示被测集成运放的单位增益带宽（测量范围不大于 2MHz），测量相对误差绝对值不大于 10%。（26分）
  3. 装置能测量并显示被测集成运放的压摆率（在单位增益，输出信号峰峰值不小于 8V 的条件下，测量范围 0.1~10V/us），测量相对误差绝对值不大于 10%。（26分）
    装置能够测量并显示被测集成运放的静态功耗（在单位增益，输出电压 0V 的条件下，测量范围 1~100mw），测量相对误差绝对值不大于 10%。（20分）
  4. 其他。（8分）
  5. 设计报告。（10分）

说明

  1. 被测集成运放为 DIP8 封装，测试时候由测评专家提供。
  2. 装置需引出要求 1 的正弦信号测量接口。
  3. 测量要求 2~4 时，插接好被测集成运放、装置上电后，用唯一启动键启动测量并显示 3 个待测参数，期间不得人工干预；测量时间不大于 60s。

前言

被忽悠过来打的比赛，这下 5 次电赛 2 次邀请了。在省电赛完了以后，也是准备起了模拟邀请赛。比赛当天本来想选 C 题，结果人爆满了，无奈选了 A 题，后来想想，也是运气使然。总体情况还行，就是 2 天 1 夜的时间笔者因为身体原因一半时间在睡觉，属实是只能分出来不到一半的精力。

题目分析

模拟邀请赛会限制芯片模块的选择，这在某种意义上并不友好，而且基本上都是现场洞洞板焊接，主办方提供的制板实际上并不好用，我们直接放弃选择。
大致可以的选择如下：

  1. TI 家主控
  2. AD9850，唯一 DDS，必选
  3. 模拟开关
  4. 高带宽高压摆率运放
  5. 电流检测芯片
  6. 线性电源芯片

没有很好的读懂题目的意思，后面在作品展示交流的过程中才意识到，可以开环去测单位增益带宽，相比扫频效率会高很多。至于压摆率，我们的方法倒是相当合适的。

笔者方案

系统组成

图1 系统架构

  • 电源模块：本系统模拟开关，压控放大模块等额定电压为正负5V，因此采用LM317与LM337高精度可调稳压芯片对其供电。

  • 控制单元：根据题干要求，本系统采用MSPM0G3507作为MCU，MSPM0G3507 是具有存储器保护单元且频率高达 80MHz 的 Arm® 32 位 Cortex®-M0+ CPU。该器件具有 128KB
    嵌入式闪存和 32KB 片上 RAM。集成式高性能模拟外设包括两个 12 位 4Msps SAR ADC、两个零漂移斩波运算放大器 (OPA) 和一个通用放大器 (GPAMP)， 可帮助用户设计其系统。同时配备自制矩阵键盘和OLED屏幕作为配件。

  • 信号发生模块：本系统采取比赛提供 AD9850 模块，该模块采用 125MHz 的有源晶振，可输出 0-30MHz 正弦信号，支持串，并行输出控制，输出信号可通过内部寄存器修改相位。但其输出信号峰峰值固定为 1.12V ，不可修改。

  • 信号处理模块：根据题干要求，发生信号峰峰值最高可达 8V，最低可至 20mV，频率范围为DC-2MHz，因此需对信号发生模块产生信号进行相应的放大和衰减处理。根据增益带宽积定义可知,所需运放增益带宽至少为 14MHz，因此采用 LM318，OP07，TL081 等运放搭建系统。

  • 电流检测模块：根据题目要求，功率测量范围为 1-100mW，由于电压给定为 ±12V，，经过计算可知,微小电流难以检测，因此该系统采用INA286作为电流检测芯片，该芯片为高精度低温漂电流检测芯片，且支持共模输入为 -14-80V。

运放参数测量方法

  • 单位增益带宽测量
    单位增益带宽测量首先将运放配置为单位增益放大状态；在待测运放输入端接入 DDS 所产生 20mVpp 的正弦信号，通过输入信号在 0-2MHz 内步进扫频，测得运放输出信号均值为输入信号均值的 0.707 （即功率衰减 3dB）时，测得输出信号频率即为单位增益带宽。
  • 压摆率测量
    压摆率测量首先将运放配置成单位增益放大状态，在待测运放输入端接入 DDS 所产生的 9Vpp 的正弦信号，通过输入信号在 0-500kHz 内步进扫频，测得运放输出信号峰峰值为 8V 时，输出波形由于压摆率限制变为三角波，此时输出信号的幅度和频率相除结果即为压摆率。
  • 静态功耗测量
    静态功耗测量首先将运放输入置为 0，并配置成单位增益放大状态。通过低温漂高精度的采样电阻将运放静态电流转换为电压，并通过电流检测芯片 INA282 差分输入。
图2 实物

后话

在评测中对于不同的指标测试方法如下：

  1. 所需信号只测了最大的幅度，以及频率可变；
  2. 3 个参数先由自备运放证明系统可以工作， 后由专家给出 2 个待测运放进行测量；
  3. 其他没管，就测了以上。

测评貌似都测得很烂，我们的系统测完就被粘板存放了；属于矮子里面拔高个，拿下国一。

模拟邀请赛的结果总体来说还是意料之中的，这次完赛，宣告着我本科竞赛生涯的彻底结束，正式成为退役选手。电赛了 3 年，终于是有了一个好的结果，也算是圆满了。