Измерение динамических параметров операционных усилителей с применением цифровых формирователей сигналов

УДК 621.317.3

Комаров Вс.В., Паршуков М.Ю. , Сапунов Е.В., Светлов А.В.

Пензенский государственный университет

ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦИФРОВЫХ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ

Аннотация. Рассмотрены вопросы повышения точности измерения динамических параметров операционных усилителей. Показан процесс развития структурной схемы комплекса, приводящий к улучшению его характеристик. Предложен вариант цифрового формирователя измерительных сигналов с оценкой его характеристик.

Ключевые слова: измерение, операционный усилитель, динамические параметры, прямой цифровой синтез.

Измерение и контроль параметров электронных компонентов играет важную роль в повышении качества и надежности выпускаемой радиотехнической продукции. В условиях общего спада качества радиоэлектронных компонентов, а также увеличении количества контрафактной продукции, вопрос о контроле их параметров встает еще более остро.

Как известно, операционные усилители (ОУ) являются неотъемлемой частью любых аналоговых схем. Параметры ОУ могут определять отказоустойчивость и правильность работы устройства в целом. Поэтому автоматизированный контроль параметров и свойств каждого экземпляра ОУ становится крайне необходимым тех случаях, когда они используются в аппаратуре повышенной отказоустойчивости.

ОУ обладает широким списком статических и динамических параметров. Наибольший интерес представляет контроль динамических параметров ОУ, т. к. именно они определяют быстродействие и устойчивость операционных усилителей, работающих с быстроизменяющимися сигналами. К динамическим параметрам ОУ относятся:

- максимальная скорость нарастания и спада выходного напряжения;

- частота единичного усиления;

- запас устойчивости по фазе на частоте единичного усиления.

Методики измерения этих параметров описываются ГОСТ 23089.10-83, ГОСТ 23089.13-83 и ГОСТ 23089.16-83 соответственно.

Для измерения параметров ОУ авторами разработан аппаратно-программный комплекс (АПК) [1], построенный на основе платы сбора данных NI PCI-6251 фирмы National Instruments с расширением функциональных возможностей при помощи внешних модулей. Структурная схема комплекса приведена на рисунке 1.

При измерении скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ сигнал управления от платы NI PCI-6251 поступает на генератор импульсных сигналов, формирующий видеоимпульсы напряжения с высокой крутизной фронта и спада.

NI PCI-6251

AOutO AOutl POutl POut2 POutO POut3 PFInO AIn0

Генератор

управляемый

напряжением

Генератор

импульсных

сигналов

Ж.

Коммутатор

входных

сигналов

л

Измерительная схема с исследуемым ОУ ~7К~

Источник питающих и опорных напряжений

“71Г

“71Г

AIn2

Рисунок 1. Структурная схема АПК для исследования параметров ОУ с генератором, управляемым напряжением

С выхода генератора сигнал через систему коммутации поступает на вход измерительной схемы с исследуемым ОУ. При помощи измерителя интервалов времени производится преобразование времени нарастания и спада выходного напряжения ОУ в напряжения, пропорциональные длительностям преобразуемых интервалов времени. Данные напряжения поступают на вход платы NI PCI-6251 для оцифровки и программного вычисления скоростей нарастания и спада выходного напряжения ОУ.

При измерении частоты единичного усиления ОУ с платы NI PCI-6251 подается сигнал на генератор, управляемый напряжением, при помощи которого осуществляется сканирование частотной характеристики ОУ. С выхода генератора сигнал через систему коммутации поступает на вход измерительной схемы с исследуемым ОУ, с выхода которой - на вход амплитудного детектор, а далее - на вход платы NI PCI-6251 для фиксации частоты единичного усиления ОУ.

При измерении запаса устойчивости по фазе на частоте единичного усиления при помощи генератора, управляемого напряжением, формируется гармонический сигнал с частотой, равной измеренной ранее частоте единичного усиления ОУ. Данный сигнал поступает на измерительную схему с исследуемым ОУ. При помощи измерителя интервалов времени определяется временная задержка между входным сигналом и сигналом с выхода ИОУ. Измеритель интервалов времени преобразует данный интервал в пропорциональное напряжение, которое поступает на вход платы NI PCI-6251 для последующего пересчета.

Недостатками данной схемы АПК являются сложность управления, а также низкие точность задания и стабильность поддержания частоты синусоидального сигнала, формируемого генератором, управляемым напряжением.

Следующая модификация измерительного аппаратно-программного комплекса [2], возникшая в результате поиска новых технических решений, повлекла за собой изменения в его структурной схеме (рисунок 2).

Рисунок 2. Структурная схема АПК для исследования параметров ОУ с генератором, управляемым кодом

Преимущества данной структуры:

- использованы независимые модули управления и обработки сигналов, что позволило уменьшить нагрузку на плату сбора данных NI PCI-6251 и повысить стабильность ее работы путем уменьшения количества одновременных процессов;

- применен генератор гармонических сигналов управляемый кодом, что позволило повысить точность установки частоты измерительных сигналов и стабильность генератора;

- использован дифференциальный амплитудный детектор, что позволило скомпенсировать влияние неравномерности частотной характеристики гармонического генератора на результаты измерения;

- введен управляемый масштабатор, позволивший полностью использовать весь динамический диапазон входных напряжений АЦП платы NI PCI-6251.

Последующая модификация АПК позволила полностью отказаться от применения встраиваемой в персональный компьютер платы сбора данных NI PCI-6251. Этот шаг позволил уменьшить стоимость данного АПК, т.к. стоимость платы обработки была значительно больше стоимости остальных компонентов. В связи с тем, что в схеме более не используются устаревшие интерфейсы связи с персональным компьютером, повысилась мобильность системы. Структурная схема третьей модификации АПК представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема АПК для исследования параметров ОУ с генератором с прямым цифровым синтезом

Данная структура АПК имеет следующие отличия:

- использован генератор с прямым цифровым синтезом;

- формирование видеоимпульсов напряжения для измерения скорости нарастания и спада выходного напряжения ОУ осуществляется с помощью быстродействующего компаратора, подключенного к выходу генератора с прямым цифровым синтезом сигнала. Стабильность частоты и скважности такого генератора довольно высока и зависит только от стабильности опорного генератора. Применение такого решения позволяет избавиться от отдельного формирователя видеоимпульсов;

- введенные в схему ЦАП и АЦП служат для формирования опорных напряжений, а также для оцифровки сигналов с преобразователей.

Используемый для исследования параметров ОУ многофункциональный генератор должен отвечать следующим требованиям:

- иметь полосу рабочих частот, более широкую, чем диапазон частот единичного усиления ОУ общего назначения (на настоящий момент от 1 до 20 МГц);

- обеспечивать высокую стабильность поддержания частоты и скважности сигнала;

- иметь малое время перестройки по частоте;

- формировать гармонические сигналы низких и высоких частот;

- иметь малый уровень побочных гармоник в полосе рабочих частот.

Наиболее распространены следующие методы синтеза гармонических сигналов:

- прямой аналоговый синтез (Direct Analog Synthesis, или DAS) на основе структуры смеси-тель/фильтр/делитель, когда выходная частота получается непосредственно из опорной частоты посредством операций смещения, фильтрации, умножения и деления;

- косвенный (indirect) синтез на основе фазовой подстройки частоты (Phase Locked Loop, или PLL), когда выходная частота получается с помощью дополнительного генератора (чаще генератора управляемого напряжением, или VCO), который охвачен петлей фазовой автоподстройки;

- прямой цифровой синтез (Direct Digital Synthesis, или DDS), когда выходной сигнал синтезируется цифровыми методами;

- гибридный синтез, представляющий собой комбинацию нескольких из описанных ранее методов.

Для формирования измерительных сигналов был выбран генератор прямого цифрового синтеза (DDS). Уникальность DDS заключается в том, что генерируемый сигнал синтезируется со свойственной цифровым системам точностью. Такие генераторы практически не подвержены температурному дрейфу и старению. В связи с этим DDS имеют более широкое применение, по сравнению с обычными аналоговыми синтезаторами частот, поскольку обладают рядом преимуществ:

- цифровое управление частотой и фазой выходного сигнала;

- высокое разрешение по частоте и фазе;

- несравнимо быстрый переход на другую частоту (или фазу), перестройка по частоте без разрыва фазы, без выбросов и других аномалий, связанных с временем установления;

- архитектура, основанная на DDS, ввиду очень малого шага перестройки по частоте, исключает необходимость применения точной подстройки опорной частоты, а также обеспечивает возможность параметрической температурной компенсации;

- цифровой интерфейс легко позволяет реализовать микроконтроллерное управление.

По сравнению с другими методами синтеза частотное разрешение у DDS составляет сотые и даже тысячные доли герца при ширине диапазона выходных частот порядка сотни мегагерц.

Устройство с применением технологии DDS боле функционально, т.к. его параметрами можно управлять кодом, а выходной сигнал представлен в непосредственной аналоговой форме. Однако такой универсальный метод формирования испытательных гармонических сигналов обладает рядом недостатков. Это связано с процессом дискретизации и цифро-аналогового преобразования, который имеет место в DDS.

К недостаткам можно отнести большое количество побочных гармоник, возникающих в процессе формирования сигнала, дискретность установки частоты, а также неравномерность амплитудночастотной характеристики на протяжении всего диапазона рабочих частот.

Описанные недостатки данного типа генератора не являются критическими при использовании в составе АПК для измерения динамических параметров ОУ (схема рис. 3).

Точность формирования выходного сигнала DDS определяется характеристиками генератора тактового сигнала. Можно выделить три основные характеристики генератора тактового сигнала: нестабильность частоты, джиттер, фазовый шум (относительно уровня несущей).

Основным источником фазовых шумов является генератор тактового сигнала DDS. Фазовый шум уменьшается в процессе деления частоты в DDS. Фазовый шум выходного сигнала DDS теоретически

f

меньше фазового шума тактового сигнала на 20log^32E_ , дБ. При отклонении частоты выходного сиг-

./Выход

нала на 1 кГц значение фазового шума DDS составляет -130 дБ/Гц относительно частоты несущей.

Нестабильность частоты выходного сигнала DDS равна относительному отклонению частоты тактового сигнала. При делении частоты джиттер становится меньше.

Таким образом, используя для тактирования схемы DDS опорный генератор фирмы EPSON SG-8002CA/PHB [3] возможно получить DDS с нестабильностью выходной частоты:

Л/dds = #жг ^ т = ±1,35-10-3 х 6 = ±8,1-10~3 Гц,

где л/ - нестабильность частоты тактового генератора; m - коэффициент умножения частоты;

4/dds - нестабильность выходной частоты.

Авторами был выбран DDS фирмы «Analog device» AD9851 [4], обладающий следующими основными

техническими характеристиками:

- максимальная тактовая частота: 180 МГц;

- разрешающая способность ЦАП: 10 бит;

- длина управляющего слова: 32 бита;

- разрешающая способность по частоте (при = 180 МГц): 0,04 Гц;

- шестикратное умножение частоты опорного тактового генератора.

Структурная схема формирователя измерительных сигналов приведена на рисунке 4.

Гармонический НЧ/ВЧ сигнал

Рисунок 4. Структурная схема формирователя измерительных сигналов

Формирователь измерительных сигналов работает следующим образом. Управляющая программа на персональном компьютере (ПК) формирует управляющую команду, содержащую в себе код частоты, код начальной фазы сигнала, а также коды управления питанием генератора и встроенным умножителем частоты. Преобразователь USB-FiFo формирует управляющие слова, загружаемые системой управления в генератор DDS. Сигнал с выхода генератора проходит через фильтр, подавляющий гармоники тактовой частоты и побочные гармоники выходного сигнала. Так формируются гармонические НЧ и ВЧ измерительные сигналы. Для формирования импульсных измерительных сигналов использован внутренний быстродействующий компаратор, входящий в состав микросхемы AD9851.

На рисунке 5 показана аппроксимированная спектрограмма выходного сигнала генератора с тактовой частотой 162 МГц при формировании сигнала с частотой 30 МГц.

Рисунок 5. Спектрограмма выходного сигнала генератора

Как видно из графика, амплитуда выходного напряжения такого генератора изменяется по закону (sin x)/x. Для компенсации этой неравномерности при измерении частоты единичного усиления используется дифференциальный амплитудный детектор. На один из входов данного детектора подается сигнал напрямую с выхода генератора. На второй вход поступает сигнал с выхода измерительной схемы с исследуемым ОУ.

Фильтрация побочных гармоник выходного сигнала DDS осуществляется фильтром второго порядка с частотой среза, приблизительно равной четверти тактовой частоты генератора.

Оценим погрешность установки частоты при формировании сигнала с частотой 20 МГц.

По техническому описанию микросхемы AD9851, разрешающая способность по частоте (при =

180 МГц) : 0,04 Гц. При тактовой частоте в 162 МГц разрешающая способность формирователя составит 0,036 Гц. Если устанавливаемое значение частоты 20 МГц, то погрешность составит 0,1-10_6 %.

Погрешность, вызванная нестабильностью тактового генератора на данной частоте 0,83-10_3 %. Суммарная погрешность не превышает 0,9-10_3 %.

При формировании сигнала с частотой 1 кГц погрешность установки частоты составит 3,6*10 3 %, погрешность вызванная нестабильностью тактового генератора составит 5 *10 3 %. Суммарная погрешность на данной частоте составит 8,6*10 3 %.

Погрешность поддержания частоты выходного сигнала разработанного генератора намного ниже погрешности, требуемой ГОСТ 23089.13-83 и ГОСТ 23089.16-83. Это говорит о том, что данный генератор пригоден для проведения измерения по методикам, описанным в данных гостах.

Применение технических решений, предложенных авторами, позволило разработать АПК для измерения динамических параметров ОУ, отличающийся улучшенными техническими характеристиками и низкой стоимостью.

ЛИТЕРАТУРА

1. Расширение функциональных возможностей платы сбора данных для автоматизированного

измерения параметров операционных усилителей и создания по измеренным параметрам их макромоделей / С. Ю. Байдаров, М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов, И. В. Ханин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: IX Меж-

дународ. научно-практ. конф. - М.: Изд-во РУДН, 2010. - С. 229 - 231.

2. Использование технологии виртуальных приборов при разработке аппаратно-программного ком-

плекса для измерения параметров операционных усилителей / С. Ю. Байдаров, Вс. В. Комаров, М. Ю. Паршуков, А. В. Светлов // Надежность и качество - 2012: Труды Международного симпозиу-

ма: в 2-х т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - Том 2. - С. 7 - 10.

3. http://www.sg8002.ru/doc/SG-8002CE_E08X.pdf.

4. http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9851.pdf.