原创 常用运算放大器的THD参数测量及优化

一、概述

设计以FPGA(EP2C20Q240C8N)作为主要控制芯片，通过DA转换器AD5663给被测的运算放大器施加频率可调、幅度可调的激励信号源，经过运算放大器之后，再通过DA转换器AD7665，将采样数据在FPGA中进行滤波和谐波分析，最后将谐波的数据通过RS232串口上传到PC机，通过上位机对谐波进行分析，得出出现失真的主要原因。然后根据失真的主要原因施加相应措施实现对运算放大器THD参数的优化。

二、分析与设计 （一）分析

运算放大器的THD参数（Total Harmonic Distortion，总谐波失真）是放大器非常重要的指标之一，用以表征信号在通过放大器时被叠加的额外谐波分量的多少（本例中仅考虑2次和3次谐波）。根据设计要求，课程设计如图1所示。

图1 整体框图

系统中使用FPGA作为主要的控制器，在FPGA内部主要分为五部分，WaveGen、AD、FFT/DFT、FIR和RS232串口通讯。其中，WaveGen部分主要是给测试的运算放大器施加频率可调、幅度可调的激励信号源。AD部分主要是将AD7665采样回来的数据进行处理。FIR部分是对采样数据进行低通滤波处理，滤除信号中的误差信号。FFT/DFT部分是将数据进行谐波分析，分析出二次和三次谐波，将最终的谐波信号通过通信RS232串口上传到PC上位机，完成整个测试。然后上位机通过谐波信号得到信号失真的主要原因，根据原因施加改善措施，实现常用运算放大器的THD参数测量及优化。

（二）系统总体设计 1. FPGA芯片的选择

因为课程设计中，FPGA作为主要的控制器，而FIR和FFT/DFT需要占用很多FPGA内部的逻辑单元，需要在选择FPGA时，选择内部资源较多的芯片。综合考虑芯片的逻辑资源量、最大存储量、最大时钟频率、I／O引脚数、集成度及价格等因素，本设计采用Altera公司Cyclone II 系列中的具有240个引脚封装的EP2C20Q240C8N，保证片内的资源足够课程设计使用。

它主要具有如下特性：

186752个逻辑单元； 52个M4K嵌入式存储器模块； 240Kb的RAM总容量； 4-1"PLL锁相环； 26个嵌入式18x18乘法器； 315个用户可用引脚。

其I／O口可分为8个I／O Bank，每个Bank可根据需要配置1.2或3.3伏的电平来与外围硬件电路连接。

2．AD转换器的选择

在选择AD转换器是主要考虑两个方面，转换的精度和数据传输的速度。数据的转换的精度主要保证采样时保证信号的完整性，但是AD采样必然导致采样误差的存在，精度越高的AD误差越小，为了保证设计中的误差范围，需要保证AD采样的精度在16位以上。数据传输的速度上面，是为了保证采样的数据能够及时准确的传回FPGA内部，采样精度越高，需要的数据传输率就越高，因此数据传输率必须要在400ksPs以上才能保证要求。

经过综合考虑最后选择AD7665作为AD转换器。其中，AD7665 的主要特点：

吞吐量，570 kSPS（Warp模式）、500 kSPS（正常模式） 16位分辨率、无失码 模拟输入电压范围：
双极性：±10 V、±5 V、±2.5 V
单极性：0 V至10 V、0 V至5 V、0 V至2.5 V 具有交流和直流两种规格 并行（8位和16位）和串行5 V/3 V接口 SPI?/QSPI?/MICROWIRE?/DSP兼容 3．DA转换器的选择

DA转换器的选择需要保证转换的速度，最后选择AD5663作为主要的DA转换器。主要技术参数如下：

低功耗、双通道、16位nanoDAC 相对精度：±12 LSB（最大值） 10引脚MSOP和3 mm × 3 mm、LFCSP_WD封装 采用2.7 V至5.5 V电源供电 各通道独立省电 上电复位至零电平或中间电平 硬件LDAC和CLR功能 串行接口，时钟速率最高达50 MHz 三、仿真设计

仿真设计中，主要是对RS232部分进行了程序的编写、仿真、下载以及硬件调试。串口主要是工作波特率在9600，主要包括发送和接收两部分。主要仿真图像如图2所示：

图2 RS232仿真图（发送两组数据，接收）

通过仿真可以发现，串口工作基本正常。在quartusII里面建立EP2C20Q240 C8N芯片的工程，运行建立相应的下载程序。运行时间戳如图：

图3 quartusII工程运行时间戳

下载到FPGA中，运行的页面：

图4 串口调试

四、硬件电路设计 （一）电源部分的设计

电路板主要使用5V供电，数字部分的供电主要包括给FPGA的1.2V和3.3V，模拟部分的供电通过输入的5V经过LT1935DC然后稳压到+5V和-5V，在模拟部分使用了REF3040产生4.0V的基准电压，给模拟部分提供准确的基准电压。电源部分的电路如图5所示。

图5 电源部分电路

（二）AD部分

所使用的AD7665具有强大的功能，在数据传输方面支持并口和串口两种方式，为了减少走线的复杂度，电路使用串行通信的方式，主要电路如图6所示。

图6 AD电路

（三）DA部分

使用DA5663可以同时产生两路DA输出信号，将输出的两路信号进行叠加，主要电路如图所示。其中，AD和DA部分的供电全都使用模拟供电，REF使用的4V为主要基准，可以减少在电路调试过程中产生的误差。

图7 DA电路

（四）FPGA部分

电路通信中主要占用了FPGA (EP2C20Q240C8N)的BANK8的接口，因为AD转换器和DA转换器均采用的是串口通信，占用的IO口较少，节省了很多资源，减少了走线的复杂度。

图8 FPGA电路

（五）实际电路

系统使用的是工厂制作的两层PCB板，在实际制作之前，需要将电路在PCB电路辅助软件Altium Designer中将电路的原理图以及PCB图设计完成，需要根据各个器件的尺寸、特性以及之间的连接线设置好，严格控制板子的总体大小，最后详细的板图如图9。具体硬件电路如图10所示。

图9 详细的板图

图10 硬件电路

此次设计中使用的软件版本为Altium Designer 8，是在行PCB布板的软件版本中使用最广之一。

五、总   结

通过此次课程设计，学到了很多有关电路的硬件设计的知识，并且可以熟练掌握FPGA编程和下载，熟练掌握电路调试过程中的各种调试技巧。但是，此次电路设计中还有没有完成的部分，希望在以后的学习中可以继续深入的研究。