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。

GBW=Gain×BWGBW= Gain \times BW

  • 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。

1mW<IU<100mW1mW < I·U < 100mW

0.4mA<I<4.2mA0.4mA < I < 4.2mA

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。