CN107748323A - 一种集成运放交流开环放大倍数测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成运放交流开环放大倍数测试系统。多功能信号电压源分别连接数据采集卡的通道和电阻R1一端，电阻R1另一端、电阻R2一端、待测集成运放的负输入端A、低噪声前置放大器的负输入端C连接在一起，电阻R2另一端、待测集成运放的输出端Vo1、数据采集卡的通道1连接在一起，待测集成运放的正输入端B接地，低噪声前置放大器的正输入端D接地，低噪声前置放大器的输出端Vo2连接到数据采集卡的通道2，数据采集卡连接计算机，计算机收集数据采集卡采集的数据，通过信号互相关分析处理软件对集成运放的交流开环放大倍数进行测量。本发明的有益效果是提高集成运放交流开环放大倍数的测量精度，测量操作简便，读数直观。

Description

一种集成运放交流开环放大倍数测试系统

技术领域

本发明属于放大器放大倍数测试技术领域，涉及一种集成运放工作于闭环状态下，对集成运放的交流开环放大倍数进行测量的系统和方法。

背景技术

在工程技术、科学研究和生产实践的各种活动中，集成运放交流开环放大倍数的测量具有非常重要的意义。由于集成运放除了作直流放大器应用外，绝大部分是在交流信号作用下工作。因此测量交流开环增益，更有实用价值。集成运放开环时，由于放大倍数很大，很可能使工作状态不稳定，失调电压、失调电流以及漂移等都要考虑。因此，测量时可以在闭环条件下，进行开环增益的测量，可以消除开环测量时的诸多缺点。

近些年，随着计算机技术、电子技术、通信技术、计算机信息处理技术的迅猛发展，传统的仪器正向软件化、数字化和虚拟化方向发展。虚拟仪器(Virtual—instruments，VI)的概念是由美国国家仪器公司(NI)最先提出的，与传统仪器一样，它可以分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能块。虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件相结合，在系统内共享软硬件资源。基于虚拟仪器在数据采集、分析、存储方面的优点，

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成运放交流开环放大倍数测试系统。

本发明所采用的技术方案是包括多功能信号电压源，多功能信号电压源分别连接数据采集卡的通道和电阻R1一端，电阻R1另一端、电阻R2一端、待测集成运放的负输入端A、低噪声前置放大器的负输入端C连接在一起，电阻R2另一端、待测集成运放的输出端Vo1、数据采集卡的通道1连接在一起，待测集成运放的正输入端B接地，低噪声前置放大器的正输入端D接地，低噪声前置放大器的输出端Vo2连接到数据采集卡的通道2，数据采集卡连接计算机，计算机收集数据采集卡采集的数据，通过信号互相关分析处理软件对集成运放的交流开环放大倍数进行测量。

进一步，待测集成运放的正输入端B接直流电源的地端，低噪声前置放大器的正输入端D连接到直流电源的地端，直流电源连接到待测集成运放和低噪声前置放大器上提供电力。

进一步，多功能信号电压源具有两路电压信号输出，每路输出的信号的电压幅值、频率大小单独可调，两路电压信号的频率相同，两路信号具有频率跟随功能。

进一步，低噪声前置放大器采用多级放大器级联，放大倍数为1～100000倍，低噪声前置放大器的放大倍数通过开关来选择控制。

进一步，电阻R1为1k，电阻R2为10k。

进一步，信号互相关分析处理软件包括输入采集模块、前置放大器倍数选择模块、低通滤波处理模块、互相关检测分析模块、波形数据的实时显示和监控模块，是基于LabVIEW开发平台利用相应的功能子程序形成的；

其中输入采集模块采集输入信号，输入信号Vo1、Vo2由SignalExpress选板中的DAQ助手从数据采集卡获得，放大倍数调节旋钮用来调节输入信号的放大倍数，与前置放大器倍数选择模块放大倍数相对应；

由多功能信号电压源输出的参考信号Vr的获得选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡采集到输入采集模块中，参考信号经过软件处理变换为标准参考信号，标准参考信号的幅值为1，采样信息包括每秒采样率和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息与信号Vo1、Vo2的采样信息一致；

对输入信号Vo1、Vo2上叠加的噪声采用低通滤波器模块做初步滤波处理，滤波使用的是Labview提供的带通滤波器，通过前面板的数值输入控件调节滤波的高截止频率和低截止频率，能在程序框图中调节滤波器的类型和阶数；

互相关检测模块对于测量信号Vo1、Vo2和参考信号Vr的互相关分析的功能由LabVIEW中的时域分析模板提供，互相关VI位于Functions>Analyze>Signal Processing>Time Domain>中，调用CrossCorrelation函数进行离散序列的互相关函数计算，通过调用LabVIEW中Functions>Signal Processing>Time Domain>Cross Correlation.vi子模板来实现互相关的算法；

信号Vo1、Vo2和参考信号Vr的互相关分析：由于信号分析要求循环进行，整个过程都希望是人机交互的，因此，在后面板的程序设计中采用While循环结构，信号Vo1、Vo2和参考信号Vr经过互相关函数处理后仍然是同频率的周期信号，且保留了原测量信号的幅值信息；

互相关检测分析模块对信号Vo1、Vo2和参考信号Vr进行互相关分析，信号Vo1、Vo2和参考信号Vr经过互相关函数处理后仍然是同频率的周期信号，且保留了原测量信号的幅值信息；

经过处理后的标准参考信号波形以及经过相关函数分析运算后的波形通过波形数据的实时显示和监控模块显示出来。

进一步，互相关检测分析模块分析结果包括5个量：每测量一次得到的待测集成运放的输入信号Vi电压值、待测集成运放的输出信号Vo1电压值、信号频率、集成运放放大倍数和多次测量得到的放大倍数平均值。

本发明的有益效果是提高集成运放交流开环放大倍数的测量精度，测量操作简便，读数直观。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图中，1.多功能信号电压源，2.待测集成运放，3.低噪声前置放大器，4.数据采集卡，5.直流电源，6.计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明系统如图1所示，多功能信号电压源1输出Vs经电阻R1连接到待测集成运放2的负输入端A，待测集成运放2的负输入端A经电阻R2连接到待测集成运放2的输出端Vo1，待测集成运放2的输出端Vo1连接到数据采集卡4的模拟输入端通道1，待测集成运放2的正输入端B连接到电源5的地端。这样，待测集成运放2构成一个负反馈放大器，待测集成运放2的放大倍数由输入电阻R1和反馈电阻R2决定，此处R1取1k，R2取10k。待测集成运放的的输出电压Vo1与输入电压Vi的比，即是待测集成运放的交流开环放大倍数。

低噪声前置放大器3的负输入端C连接到待测集成运放2的输入端A，低噪声前置放大器3的正输入端D连接到电源5的地端，低噪声前置放大器3的输出端Vo2连接到数据采集卡4的模拟输入端通道2。多功能信号电压源1输出Vr连接到数据采集卡4的模拟输入端通道3。低噪声前置放大器3实现对待测集成运放2的输入信号Vi进行放大，放大输出信号Vo2与低噪声前置放大器3的放大倍数之比，即可得到待测集成运放2的输入信号Vi的大小。低噪声前置放大器3的作用是将伴有噪声的微弱的待测集成运放输入电压信号Vi放大到足以推动采集卡工作的电平。直流电源5连接到待测集成运放2和低噪声前置放大器3上。数据采集卡4安插到计算机上。数据采集卡4安插到计算机6上，数据采集卡4采集待测集成运放2的输出信号Vo1、低噪声前置放大器3的输出信号Vo2、以及多功能信号电压源1的输出信号Vr，把这三个信号传输到计算机6中，由软件实现Vr和Vo1的互相关处理、Vr和Vo2的互相关处理，从而得到Vo1和Vo2的值。

多功能信号电压源1具有两路电压信号输出，每路输出的信号的电压幅值、频率大小单独可调。两路电压信号的频率相同，为保证两路电压信号的频率相同，两路信号具有频率跟随功能。低噪声前置放大器3采用多级放大器级联，具有多个量程的放大倍数，低噪声前置放大器3的放大倍数为1～100000倍，低噪声前置放大器3的放大倍数通过开关来选择控制。直流电源5为待测集成运放2和低噪声前置放大器3电路供电。

信号互相关分析处理软件包括输入采集模块、前置放大器倍数选择模块、低通滤波处理模块、互相关检测分析模块、波形数据的实时显示和监控模块，均基于LabVIEW开发平台及其附属软件包研发而成。系统输入采集、前置放大器倍数选择、低通滤波器、互相关检测、信号输出等功能，是基于LabVIEW开发平台利用相应的功能子程序(VI)形成的。

在计算机6中由软件实现Vr和Vo1的互相关处理、Vr和Vo2的互相关处理，从而得到Vo1和Vo2的值的过程为：采用LabVIEW软件实现对待测集成运放输入电压信号Vi、输出电压信号Vo1和前置放大器输出电压信号Vo2的处理，LabVIEW软件包括输入采集模块、前置放大器倍数选择模块、低通滤波器模块、互相关检测模块、信号输出模块；输入采集模块采集输入信号，输入信号Vo1、Vo2由SignalExpress选板中的DAQ助手从数据采集卡获得，放大倍数调节旋钮用来调节输入信号的放大倍数，与前置放大器倍数选择模块放大倍数相对应。由多功能信号电压源1输出的参考信号Vr的获得选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡4采集到输入采集模块中，参考信号经过软件处理变换为标准参考信号，标准参考信号的幅值为1，采样信息包括每秒采样率(Fs)和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息与信号Vo1、Vo2的采样信息一致。由于待测集成运放+-输入两端的电压Vi是微弱信号并处于较大噪声和干扰环境下，甚至是被噪声和干扰淹没的信号，因此在程序中，前级应对信号上叠加的噪声采用低通滤波器模块做初步滤波处理，滤波使用的是Labview提供的带通滤波器，可通过前面板的数值输入控件调节滤波的高截止频率和低截止频率，还可在程序框图中调节滤波器的类型和阶数。输入信号Vo1、Vo2经过滤波后，50Hz的低频周期干扰信号几乎完全被消除，噪声信号有一定程度的衰减。参考信号Vr经过滤波后，50Hz的低频周期干扰信号也几乎完全被消除。

互相关检测模块对于测量信号Vo1、Vo2和参考信号Vr的互相关分析的功能由LabVIEW中的时域分析模板提供。互相关VI位于Functions>Analyze>Signal Processing>Time Domain>中，调用CrossCorrelation函数进行离散序列的互相关函数计算，通过调用LabVIEW中Functions>Signal Processing>Time Domain>Cross Correlation.vi子模板来实现互相关的算法。

测量信号Vo1、Vo2和参考信号Vr的互相关分析：由于信号分析要求循环进行，而整个过程都希望是人机交互的，因此，在后面板的程序设计中采用While循环结构。测量信号Vo1、Vo2和参考信号Vr经过互相关函数处理后仍然是同频率的周期信号，且保留了原测量信号的幅值信息。经处理和计算的数据通过显示部分进行显示。采集信号是通过波形的形式显示的，信号输出模块中含有噪声的前置放大器的输出信号波形、待测集成运放的输出信号波形、参考信号波形、经过滤波处理后的波形、经过处理后的标准参考信号波形以及经过相关函数分析运算后的波形。经过互相关函数的运算，集成运放开环放大倍数的测量值是通过数值显示控件输出。测量的结果包括5个量：即每测量一次得到的待测集成运放的输入信号Vi电压值、待测集成运放的输出信号Vo1电压值、信号频率、集成运放放大倍数和多次测量得到的放大倍数平均值。传统锁相放大器需在后级进行带宽极小的低通滤波。本系统中使用的是对多次测量值取平均，获得的效果与进行低通滤波相类似，通过控制软件循环测量的次数控制其求平均所需的次数。当循环的次数越多时，反应时间较长，但是得到的值越准确；而当循环的次数越小时，反应时间相对越短，但是得到的值有较大波动。这点与时间常数对低通滤波器的影响也类似。

本发明利用虚拟仪器技术，基于LabVIEW图形编程软件互相关分析实现对集成运放输入端的微弱电压信号进行检测，通过测量集成运放的输出电压信号大小和输入电压信号大小，达到对集成运放交流开环放大倍数测试目的。充分利用相关分析方法所具有的抑制噪声和恢复提取有用信号能力强，测量准确度及分辨率高等优点。一种集成运放交流开环放大倍数测试系统所采用的相关测量具有良好的专用性、相通性和可移植性，它充分利用了计算机的强大功能，其图形化用户界面开发功能和灵活的特点使得软件编程灵活方便、简洁高效、性能稳定，实现数据的自动处理和判断，显示直观、效率高，这些特点使得本发明所设计的集成运放交流开环放大倍数测量系统具有一定的实用价值。

本发明的优点还在于：本发明实现集成运放在闭环工作条件下，对集成运放交流开环放大倍数的测量，消除了集成运放在开环工作时的工作状态不稳定，失调电压、失调电流以及漂移的等因素影响，从而解决了集成运放在开环工作时无法测量集成运放交流开环放大倍数的问题；进一步提高集成运放交流开环放大倍数的测量精度；测试自动化，大幅度降低测试系统成本；测试装置结构简单，精度高，测试范围广，具有测量操作简便，读数直观；可广泛用于工厂、研究所、实验室使用。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：包括多功能信号电压源，多功能信号电压源分别连接数据采集卡的通道和电阻R1一端，电阻R1另一端、电阻R2一端、待测集成运放的负输入端A、低噪声前置放大器的负输入端C连接在一起，电阻R2另一端、待测集成运放的输出端Vo1、数据采集卡的通道1连接在一起，待测集成运放的正输入端B接地，低噪声前置放大器的正输入端D接地，低噪声前置放大器的输出端Vo2连接到数据采集卡的通道2，数据采集卡连接计算机，计算机收集数据采集卡采集的数据，通过信号互相关分析处理软件对集成运放的交流开环放大倍数进行测量。

2.按照权利要求1所述一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：所述待测集成运放的正输入端B接直流电源的地端，低噪声前置放大器的正输入端D连接到直流电源的地端，直流电源连接到待测集成运放和低噪声前置放大器上供电。

3.按照权利要求1所述一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：所述多功能信号电压源具有两路电压信号输出，每路输出的信号的电压幅值、频率大小单独可调，两路电压信号的频率相同，两路信号具有频率跟随功能。

4.按照权利要求1所述一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：所述低噪声前置放大器采用多级放大器级联，放大倍数为1～100000倍，低噪声前置放大器的放大倍数通过开关来选择控制。

5.按照权利要求1所述一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：所述电阻R1为1k，电阻R2为10k。

6.按照权利要求1所述一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：所述信号互相关分析处理软件包括输入采集模块、前置放大器倍数选择模块、低通滤波处理模块、互相关检测分析模块、波形数据的实时显示和监控模块，是基于LabVIEW开发平台利用相应的功能子程序形成的；

其中输入采集模块采集输入信号，输入信号Vo1、Vo2由SignalExpress选板中的DAQ助手从数据采集卡获得，放大倍数调节旋钮用来调节输入信号的放大倍数，与前置放大器倍数选择模块放大倍数相对应；

由多功能信号电压源输出的参考信号Vr的获得选用外部参考，使外部参考信号通过数据采集卡采集到输入采集模块中，参考信号经过软件处理变换为标准参考信号，标准参考信号的幅值为1，采样信息包括每秒采样率和每次采样波形的采样数，参考信号的采样信息与信号Vo1、Vo2的采样信息一致；

对输入信号Vo1、Vo2上叠加的噪声采用低通滤波器模块做初步滤波处理，滤波使用的是Labview提供的带通滤波器，通过前面板的数值输入控件调节滤波的高截止频率和低截止频率；

互相关检测分析模块对信号Vo1、Vo2和参考信号Vr进行互相关分析，信号Vo1、Vo2和参考信号Vr经过互相关函数处理后仍然是同频率的周期信号，且保留了原测量信号的幅值信息；

经过处理后的标准参考信号波形以及经过相关函数分析运算后的波形通过波形数据的实时显示和监控模块显示出来。

7.按照权利要求1所述一种集成运放交流开环放大倍数测试系统，其特征在于：所述互相关检测分析模块分析结果包括5个量：每测量一次得到的待测集成运放的输入信号Vi电压值、待测集成运放的输出信号Vo1电压值、信号频率、集成运放放大倍数和多次测量得到的放大倍数平均值。