用于远程虚拟实验的运算放大器测试系统的制作方法

本发明涉及一种运算放大器测试系统及方法，特别是涉及远程虚拟实验的、测试性能要求高的运算放大器测试系统。

背景技术：

根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要点》等相关要求，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，教育部决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，于2017-2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。

实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元，其建设水平直接决定实验教学的整体质量。开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。

《模拟与数字电路》是电类专业承上启下的课程，上承《电路基础》，下接《基于fpga的硬件系统设计》、《嵌入式》等，其实验课程设计也应考虑到衔接和步步推进。实验内容设计要求紧跟电类科学发展前沿，必须不断更新变化，且给予学生尽可能的自主设计空间。运算放大器作为《模拟与数字电路》中的核心集成器件，其参数的测试电路及测试方法，都将给予学生极大的启发，帮助加深理解电类基础课程。但是，运算放大器的多个参数测试都较为困难，很难得到确切的、准确的实验结果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种用于远程虚拟实验的运算放大器测试系统。

本发明的运算放大器测试系统包括：开环增益测试系统、失调电压调整测试系统、压摆率测试系统、全功率带宽测试系统、单位增益带宽测试系统、同相放大器的增益带宽积测试系统。

运算放大器的动态技术指标，开环增益，即开环电压放大倍数，运算放大器在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。开环电压放大倍数的数值在10⁵量级，也就是100v/mv，运算放大器在输入电压为±15v时，输出电压能够达到12v，那么，运算放大器在无外加反馈条件下，输入电压的变化范围在0.1mv。

理想的运算放大器开环增益为无穷大，但实际的非理想运算放大器的开环增益通常在100~1000v/mv，并且随负载阻抗、环境温度和电源电压而变化。在额定负载与无负载条件下，开环增益的变化幅度不会超过10倍。多数运算放大器具有正增益温度系数，约为0.5至1%/⁰c，开环增益随电源而变化的幅度约为2%/%。开环增益影响直流误差，且随着温度变化，当温度升高时所带来的误差较大，开环增益较低的运算放大器不适合高精度场合。

所述的开环增益测试系统，包括：模拟输入模块、电压衰减电路、运算放大器、模拟输出模块；模拟输出模块产生直流扫描电压，分为ao端和地端；模拟输入模块采样运算放大器的输出电压，分为ai端和地端，使用单端模式或差分模式；运算放大器的供电电源地端、模拟输入模块地端、模拟输出模块地端连接在一起，三者共地。

电压衰减电路包括第一电阻和第二电阻，第一电阻的一端与模拟输出模块的ao端相连，另一端与运算放大器的同相输入端相连；第二电阻的两端分别与运算放大器的同相输入端、反相输入端相连；运算放大器的反相输入端与地端相连；第一电阻与第二电阻构成电压衰减电路，具有分压作用，考虑到模拟输出模块的输出电压分辨率和稳定度，第一电阻应不小于第二电阻的十倍，实测中，第一电阻取第二电阻的百倍为优选；第二电阻取1k欧姆，第一电阻取100k欧姆，能够取得精确的开环增益测试结果。

模拟输出模块的电压给定，包括起始电压、终止电压、步进电压，起始电压以步进电压为幅度改变至终止电压，起始电压与终止电压必须穿越正负区域，步进电压取值为-1mv~-10uv或10uv~1mv，步进电压为正值时，终止电压大于起始电压，起始电压逐步增加至终止电压，步进电压为负值时，终止电压小于起始电压，起始电压逐步减小至终止电压。

为了得到运算放大器最稳定的开环增益测试结果，步进电压的设置为正、负值交替最优。

开环增益测试图，以模拟输出模块的给定电压或除以衰减倍数之后的运算放大器同相、反向输入端之间电压为横坐标，以运算放大器输出端电压为纵坐标；开环增益测试图一定分为三段，第一段是横坐标的电压乘以开环增益放大倍数超过运算放大器的负输出截止电压，这一段，不管横坐标如何变化，纵坐标都是负输出截止电压；第二段是纵坐标随着横坐标近似正斜率直线的线性变化；第三段是横坐标的电压乘以开环增益放大倍数超过运算放大器的正输出截止电压，这一段，不管横坐标如何变化，纵坐标都是正输出截止电压。

运算放大器的输出端连接到模拟输入模块的导线不能超过40cm，越短越好，否则，开环增益测试图中，纵坐标为零时的横坐标值会发生偏移，甚至会导致开环增益测试图中的三段波形变成一段，纵坐标一直处于正输出截止电压或负输出截止电压；起始电压为正、终止电压为负时，一段波形的纵坐标都处于正输出截止电压；起始电压为负、终止电压为正时，一段波形的纵坐标都处于负输出截止电压。

截取开环增益测试图中的第二段，使用excel软件或相同功能的软件处理数据，将数据添加线性趋势线，并得到近似直线公式，该直流公式的斜率就是所测试的开环增益系数；如果测试图中的横坐标是模拟输出模块的给定电压，则开环增益系数与衰减电压倍数的乘积就是运算放大器的开环增益；如果测试图中的横坐标是除以衰减倍数之后的运算放大器同相、反向输入端之间电压，则所求的开环增益系数就是运算放大器的开环增益。

运算放大器的失调电压eos是指任意温度、电源电压和时间下，运算放大器的输入端为使输出端归零而需要零源阻抗提供的电压。初始失调电压eos指25⁰c及额定电源电压下的失调电压。在多数运算放大器中，都提供了一定机制，用以通过两个offset引脚接入外部调整电位计将初始失调电压调整为零。有些运算放大器采用内部调整方式，以便保证初始失调电压通常为（±1mv）得到一定量的最大限制，换言之，在某些应用中，外部调整电位计可以消除不用。在应用电源电压后，失调电压存在预热漂移，因此，让运算放大器稳定至少15分钟后才进行测量最优。

带有两个外部接入调整电位计引脚的运算放大器，接入调整电位计，但是不在该电位计的中间端接入正向或负向电压，再进行开环增益测试时，开环增益测试图第二段的线性斜率完全相同，纵坐标为零时的横坐标值会发生偏移，向横坐标的负轴偏移，此种特定的实验现象是由于运算放大器的内部电路决定；此处能够增加一道调动学生创造力和积极性的思考题，在模拟电路课程结束后提交这一现象的分析报告，根据报告给予加分奖励。

所述的失调电压调整测试系统，包括：运算放大器、电压调理模块、模拟输入模块，带有两个外接调整电位计的引脚并接入电位计的两端，电位计的中间引脚接入正偏置电压或负偏置电压；运算放大器的同相输入端与地端连接、反向输入端与输出端连接，输出端经电压调理模块之后接入模拟输入模块的ai端。

电位计的中间引脚接入负偏置电压时，电位计中间引脚从一端滑动向另一端，运算放大器的输出端电压为负截止电压，当电位计中间引脚继续滑动，直到运算放大器输出端电压开始出现变化，继续滑动，运算放大器输出端电压能够到达-2~-1v，继续滑动，运算放大器输出端电压就会跳变为正截止电压；此时，立刻将电位计中间引脚反向滑动，运算放大器输出端电压并不立刻从正截止电压跳变回负电压，而是有一个迟滞现象，反向滑动电位计中间引脚，正截止电压经过迟滞后开始变小，直到1~2v后，电位计中间引脚继续滑动，运算放大器输出端电压跳变到负截止电压；记录两次跳变时，电位计中间引脚的位置。

电位计的中间引脚接入正偏置电压，运算放大器输出端电压不会出现迟滞现象且在10mv内，为了增加测量准确性，使用电压调理模块放大输出端电压，改善输入/输出阻抗，测试更加精确；电压调理模块放大100倍电压优选。

所述的压摆率测试系统，包括：方波信号、运算放大器、示波器，运算放大器的同相输入端接入方波信号，方波信号的幅值取运算放大器电源供电后的截止电压为最优，运算放大器的反向输入端与输出端连接且输出端接示波器观测波形，示波器记录运算放大器输出端波形与运算放大器同相输入端方波信号的变化，运算放大器输出端波形的上升沿和下降沿的斜率绝对值就是运算放大器的压摆率sr。

转换速率或压摆率sr：通常表示为v/us，运算放大器转换速率定义为：运算放大器接成闭环条件下，将一个大信号(含阶跃信号)输入到运算放大器的同相输入端，从运算放大器的输出端测得上升和下降速率。由于在转换期间，运算放大器的输入级处于开关状态，所以运算放大器的反馈回路不起作用，也就是转换速率与闭环增益无关。

转换速率对于大信号处理是一个很重要的指标，对于一般运算放大器转换速率sr≤10v/us，高速运算放大器的转换速率sr>10v/us。目前，高速运算放大器最高转换速率sr达到6000v/us。

所述的全功率带宽测试系统，包括：正弦波信号、运算放大器、示波器，运算放大器的同相输入端接入正弦波信号；正弦波信号幅值为vp，取运算放大器电源供电后的截止电压为最优；运算放大器反向输入端与输出端连接，运算放大器输出端接示波器观测波形，记录运算放大器输出端波形与同相输入端正弦波信号的失调变化，记录运算放大器输出端波形变为三角波时的频率f，并满足公式：2π×频率f×vp≥压摆率sr。

单位增益带宽定义为：运算放大器的闭环增益为1倍条件下，将一个恒定幅值的正弦波小信号输入到运算放大器的输入端，从运算放大器的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运算放大器输入信号的0.707倍）所对应的信号频率。

单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦波小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积，当知道要处理的信号频率和信号需要的增益后，计算出单位增益带宽，用以选择合适的运算放大器。

例如，某个运算放大器的单位增益带宽=1mhz，若实际闭环增益=100倍，则运算放大器处理小信号的最大频率=1mhz/100=10khz。

所述的单位增益带宽测试系统，包括：频率扫描的正弦波信号、运算放大器、示波器，运算放大器的同相输入端接入正弦波信号；运算放大器反向输入端与输出端连接，运算放大器输出端接示波器观测波形，示波器记录运算放大器输出端波形与同相输入端正弦波信号并使用伯德图分析函数，记录噪声幅值，并在该幅值的-3db处记录的频率即为运算放大器的单位增益带宽；频率扫描的正弦波信号的幅值选取50mv~500mv。

所述的同相放大器的增益带宽积测试系统，包括：频率扫描的正弦波信号、运算放大器、示波器、第三电阻、第四电阻，运算放大器的同相输入端接入正弦波信号；第三电阻两端分别与运算放大器反向输入端、输出端连接，第四电阻两端分别与运算放大器反向输入端、地端连接，增益倍数为：(1+第三电阻/第四电阻)，示波器记录运算放大器输出端波形与同相输入端正弦波信号并使用伯德图分析函数，记录噪声幅值，并在该幅值的-3db处记录的频率即为运算放大器的带宽，该带宽与增益倍数(1+第三电阻/第四电阻)的乘以等于单位增益带宽；频率扫描的正弦波信号的幅值选取50mv~500mv。

为了实现更好的实验效果，运算放大器的开环增益、单位增益带宽、压摆率三个参数的选择为：开环增益小于1000v/mv，单位增益带宽小于5mhz，压摆率小于0.8v/us。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：第一、能够准确地检测运算放大器的六个参数；第二、所需要的检测仪器性能要求不高，节约实验建设成本；第三、能够通过远程访问、控制运算放大器测试系统。

附图说明

图1为运算放大器开环增益测试系统图；

图2为开环增益测试时，运算放大器输出端至模拟输入模块ai端的线长对开环增益测试的影响图；

图3为开环增益测试时，运算放大器不接与接入10kω调整电位计的对比图；

图4为开环增益测试图第二段图形的数据处理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。因此，应当明白，所附的权利要求意欲涵盖落入本发明的真实精神的所有这些修改和改变。

如图1所示，运算放大器开环增益测试系统图，第一电阻取100kω，第二电阻取1kω，模拟输出模块的ao端输出电压vin，运算放大器的输出端电压vout接入到模拟输入模块的ao端；如图2所示，横坐标是模拟输出模块的给定电压，纵坐标是运算放大器输出端电压，运算放大器输出端至模拟输入模块ai端的线长对开环增益测试的影响图，当线长为10cm和17cm时，开环增益测试图的零点都没有发生偏移，而当线长达到44cm时，开环增益测试图的零点向横坐标正轴偏移1.5v；如图3所示，横坐标是模拟输出模块的给定电压，纵坐标是运算放大器输出端电压，开环增益测试时，运算放大器不接与接入10kω调整电位计的对比图，接入10kω调整电位计会使得开环增益测试图向横坐标负轴整体偏移-0.012v；如图4所示，开环增益测试图第二段图形的数据处理图，添加线性趋势线后，得到直线斜率为7135，再计算电压衰减倍数为101倍，开环增益为720.635v/mv。