2012年TI杯—頻率補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、2012年TI杯四川省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽B題：頻率補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)報(bào)告2012年8月題目：頻率補(bǔ)償電路摘 要：本系統(tǒng)主要是由基于 OPA2134P芯片構(gòu)成的高通濾波器為核心， 制作完成頻率補(bǔ)償電路。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是由OPA2134P芯片構(gòu)成的高通濾波器、基于 OPA2134PA5片的電壓放大器、OPA2134P芯片構(gòu)成的低通濾波器組成。通過計(jì) 算出有源濾波電路各個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)出各電路模塊，并利用LM317和LM337自制穩(wěn) 壓電源為系統(tǒng)供電。通過調(diào)試電路，最終較好的實(shí)現(xiàn)了對模擬模塊的高頻補(bǔ)償， 并且從測試結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)任務(wù)中的基本和發(fā)揮要求。關(guān)鍵詞： 頻率補(bǔ)償 高通濾波器 傳輸函數(shù)1系統(tǒng)方案設(shè)

2、計(jì)1.1模擬模塊運(yùn)放選擇根據(jù)題目要求，需要根據(jù)頻帶要求，直流特性和外部元件參數(shù)從TI公司的產(chǎn)品中自定義選擇運(yùn)算放大器的型號(hào)。方案一：OPA2134PA音頻運(yùn)算放大器，最低噪聲8nV/VHz,通頻帶寬8MHz輸入電源 范圍土 2.5V土 18V,輸入偏置電流最大值100pA輸入失調(diào)電壓最大值2mV方案二：OPA2227P高精度低噪聲運(yùn)算放大器，雙通道運(yùn)放，最低噪聲 8nV/VHz,通頻 帶寬8MHz輸入電源范圍土 2.5V土 18V,輸入偏置電流最大值10nA,輸入失調(diào)電壓最大 值 75uV;方案三：OPA227P高精度低噪聲運(yùn)算放大器，單通道運(yùn)放，最低噪聲 8nV/ V Hz,通頻 帶寬8MH

3、z輸入電源范圍土 2.5V土 18V,輸入偏置電流最大值10nA,輸入失調(diào)電壓最大 值 75uV。方案論證：綜合考慮頻帶要求，直流特性和外部元件參數(shù)，盡量減小放大器本身噪聲 造成的干擾，采取低噪運(yùn)放，即需要所選運(yùn)放具有：高阻，高頻，低失調(diào)電流的特點(diǎn)，所 以采取方案一，即OPA2134P作為模擬模塊的運(yùn)算放大器。1.2頻率補(bǔ)償電路的論證與選擇方案一：高通濾波器(HPF、運(yùn)算放大網(wǎng)絡(luò)(AMP、低通濾波器(LPF)三級級聯(lián)構(gòu)成 頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算出模擬模塊的傳輸函數(shù) H1 (s),推算出系統(tǒng)增益為常量時(shí)的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳輸 函數(shù)H2( s),根據(jù)H2 (s、的特性求算出頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)。由于模

4、擬模塊部分等 效于一個(gè)低通濾波器，初步推測出頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)部分主要是高通濾波器，信號(hào)經(jīng)模擬模塊 部分可變?yōu)榉茸兓^小的信號(hào)，然后對其進(jìn)行放大提高幅度，再通過截止頻率50KHz以上的低通濾波器，便可以輸出符合題干要求的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。方案一的系統(tǒng)框圖如 圖1所示。圖1方案一系統(tǒng)框圖方案二：低通濾波器、程控運(yùn)放 AD603低通濾波器、峰值檢測電路構(gòu)成頻率補(bǔ)償網(wǎng)信號(hào)經(jīng)過模擬模塊部分之后的幅頻特性為低通，輸入頻率接近截止頻率時(shí)，由于示波 器都帶有固定增益，經(jīng)過放大可能產(chǎn)生較大的紋波抖動(dòng)。采用程控放大器AD603對幅度進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)整，模擬模塊信號(hào)輸出經(jīng)過峰值檢測電路作 為AD603的輸入信號(hào)，經(jīng)過模擬

5、模塊的信號(hào)先通過低通濾波器進(jìn)行去噪處理，再接入AD603的電壓控制端。AD603可控增益放大器放大特性與輸入控制電壓具有很好的線性度，可以 對控制電壓的線性調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)增益的線性控制，將輸出信號(hào)控制在AD603的最大輸出3V附近，波動(dòng)維持在較小的范圍內(nèi)，AD603的輸出最大電壓土 3V,不能達(dá)到輸出電壓有效值 10V的要求，故而須再經(jīng)一低通濾波器將-3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于50kHz。峰值檢測 電路的作用是將模擬模塊部分輸出的交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)作為AD603的信號(hào)輸入。方案二系統(tǒng)框圖如圖2所示：圖2方案二系統(tǒng)框圖方案論證：從理論上分析，方案 2可以使輸出幅度紋波系數(shù)比較小，信號(hào)更加穩(wěn)定，

6、可以更好實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。但是 AD603容易自激振蕩，要求輸入的控制電壓信號(hào)十分穩(wěn)定， 且對信號(hào)是對以分貝單位信號(hào)進(jìn)行程控，即需要在電路中加入對數(shù)電路和反對數(shù)電路。即 雖然方案2理論上更優(yōu)越，但是實(shí)際電路會(huì)比較復(fù)雜。綜合以上兩種方案，選擇方案一，即高通濾波器、運(yùn)算放大網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器三級級 聯(lián)構(gòu)成頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。1.3供電方式選擇方案一：實(shí)驗(yàn)室直流電源供電。方案二：自制線性穩(wěn)壓電源方案論證：實(shí)驗(yàn)室電源不便于搬動(dòng)，為了方便為運(yùn)放提供穩(wěn)定的土15V供電電源，我們基于LM337和 LM317自制可調(diào)供電電源。2理論分析與計(jì)算2.1模擬模塊部分傳遞函數(shù)計(jì)算及零點(diǎn)、極點(diǎn)分析r = = i模擬某傳感器特性!

7、的電路模塊正弦波電壓Vs信號(hào)發(fā)生器C f 14.7pF I5.1M Q 5.1M Q丄 4.7pFI Cf 2VbTP1101R f1 +Sc.一RRSR s .fi +-SC f1 I-%-Rs.rQs R f1 R f1 SC f2 Rf1 Rf1 SCf1Rf1 s C f1C f 2f1 ；C二R f1R f1 SC f2 R “ R “SC f1 R f1 Sc f1R f1R+Rf 2 S C f 2 R f1 R f 2 Rf1 SCf2f 2RSC f2 Rf1 Rf2圖3模擬模塊電路模擬模塊的傳輸函數(shù)求解過程如下： 檢測T處為虛地，故而電平為零 設(shè)s=wj，則有模擬模塊部分的

8、傳輸函數(shù)H(S),V b(Rf1=_S2C “Rf2Rf2+Sc f1Rf1(Rf2+Sc f2) C f 1C f2+SC f1Rf1*Cf2Rf1*C f2Rf2Rf1Rf2根據(jù)基本要求(2)中條件，模擬模塊與頻率補(bǔ)償模塊的傳輸函數(shù)乘積須為1故頻率補(bǔ)償部分的傳輸函數(shù)C f2+Rf2 / SC f1 HV：飛-Rf1.SCf- Rf2.CS C f2 sc f2 R f 2 C f1R “ R f1 +SC f2(Rf1 +R f1 *C f1R s R f1R f1 S C f1R f1 C f2 R f1 C f2 R f2 s2C f1C f2R SC f2 R f2 /SC f1很顯

9、然，頻率補(bǔ)償部分電路運(yùn)放的外接元件在運(yùn)放反相端左右兩部分相當(dāng)于對調(diào)，是Rf1 Rf1 SCf2 Rf1 Rf1 SCf1Rf1 s2Cf1Cf2f1一個(gè)高通濾波器，H2（S）的零點(diǎn)是方程Rf1Rf1 SCf2Rf1 Rf1的根，極點(diǎn)是0和-Rf1Rf1。外接元件位于反相端左側(cè)極點(diǎn)部分在低頻下，兩個(gè)電容相當(dāng)于斷路，高SCf2 Rfi Rfi-Rs頻下電容相當(dāng)于短路，與Rs合在一起組成比例放大電路，增益分別為低頻下的RfiRf2和高頻下的12.2頻率補(bǔ)償各部分電路的分析2.2.1高通濾波器部分由2.1的初步分析可知，頻率補(bǔ)償部分的主體是高通濾波器（HPF，參考教材電子線路.設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出二階高通

10、巴特沃茲濾波器對模擬模塊部分輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。當(dāng) 信號(hào)通過HPF之后，理論上信號(hào)的幅頻特性會(huì)變得比較穩(wěn)定。但是實(shí)際上由于通帶邊緣并 不十分陡峭，濾波器電路本身又有一定的增益，所以需要通過仿真與搭建電路進(jìn)行進(jìn)一步 分析。為了減小噪聲，采用低噪運(yùn)放搭建有源濾波電路。.s V b R fi/SC f2 r f2 /SC fiH訶尸廠一門2.2.2運(yùn)算放大電路部分經(jīng)過前面幾個(gè)模塊，輸出波形是較為平緩的幅值較小的信號(hào)，需要對其進(jìn)行放大。用 低噪聲運(yùn)算放大器對信號(hào)進(jìn)行放大，得到較為平緩的幅值較大的信號(hào)。2.2.3放大器穩(wěn)定性分析及通頻帶增益起伏控制放大器穩(wěn)定性與通頻帶增益起伏主要取決與芯片本身性能、電源穩(wěn)

11、定性及PCB布局，芯片性能與自身工藝、工作溫度、電源穩(wěn)定性等有關(guān)。通過精選芯片，限制各級放大器的 單級放大倍數(shù).，盡量選用低噪聲芯片，保證其性能和穩(wěn)定性 。電源輸出噪聲會(huì)對系統(tǒng)的輸入信號(hào)產(chǎn)生干擾，造成信號(hào)失真，為了盡量減小噪聲，我 們在自制的線性穩(wěn)壓電源輸出端加入濾波電容，對電源噪聲濾波處理。2.2.4直流零點(diǎn)漂移分析主要誤差因素有：輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電壓溫漂、 ，輸入偏置電流，輸入失調(diào)電 流，輸入失調(diào)電流溫漂等。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，如電源電壓不穩(wěn)、元器件參數(shù)變值、 環(huán)境溫度變化等。其中最主要的因素是溫度的變化。預(yù)制零點(diǎn)漂移的措施，我們采用精選元件、對元件進(jìn)行老化處理、選用高穩(wěn)定度電源

12、 等措施，在集成電路內(nèi)部本身便有補(bǔ)償，盡量減小直流零點(diǎn)漂移。3 電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)整體框圖本系統(tǒng)主要由模擬電路模塊、高通濾波器模塊、低通濾波器模塊、運(yùn)算放大模塊、 電源模塊等組成，系統(tǒng)總體框圖如圖 1所示。圖4系統(tǒng)框圖3.2高通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖有源高通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示圖5 HPF子系統(tǒng)原理圖3.3低通濾波器子系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)二階有源低通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示3.4穩(wěn)壓直流電源的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)電源要求，我們需要制作輸出為土 15V的穩(wěn)壓電源。為了盡量減小電源信號(hào) 的紋波，我們采用兩次濾波方案，即市電經(jīng)過變壓器變壓之后，經(jīng)過全波整流、電容濾波， 將交流轉(zhuǎn)換為直流以及穩(wěn)壓

13、之后，又設(shè)置濾波電容。在穩(wěn)壓部分，我們采用的是LM337和LM317這部分電路比較簡單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述，其電路如圖圖7所示：圖7電源模塊電路4系測試方案與測試結(jié)果4.1測試條件室溫25 C左右，并且外界干擾不大，220V交流電源；檢查多次，仿真電路和硬件 電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。4.2主要的測試儀器、儀表1) 示波器：UTD2102CEL 100MHz 1GSa/s2) 信號(hào)源：EE1641B1型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器。3) 萬用表：DT-9205A+4.3測試方法1) 接通電源，將200Hz、峰峰值為10V的信號(hào)接入Vs端，將示波器探

14、頭接到TP1端，觀 察記錄模擬模塊輸出信號(hào)有無明顯失真。2) 逐漸增加輸入信號(hào)的頻率，觀察記錄以200Hz為基準(zhǔn)，Vb的-3dB高頻截止頻率。3) 保持200Hz、峰峰值為10V的輸入信號(hào)不變，將示波器探頭接到TP2端，觀察記錄輸出信號(hào)。4) 逐步提高輸入頻率，觀察 A(f)=| Vo/Vs|的-3dB高頻截止頻率能否擴(kuò)展到大于 50kHz以 及頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)是否在土 10%以內(nèi)。5) 去掉輸入信號(hào)，將輸入端的正極與地端短接，觀察輸出Vo的噪聲均方根電壓是否滿足Vn 30 mV.6) 將輸入信號(hào)變?yōu)?00Hz的三角波，串上47pF的電容后接到模擬傳感器模塊的 T

15、端，觀 察輸出信號(hào)的上升沿跳變時(shí)間。4.4 測試結(jié)果級分析441測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）1 模擬模塊輸入 V （峰峰值） 10.00V,f200HZ時(shí)，輸出Vb （峰峰值9.94V（沒有失真）。-3dB高頻截止頻率約為4.13KHZ具體測試數(shù)據(jù)結(jié)果如下表所示：輸入頻率（kHz）0.20.50.81.52.02.53.03.54.04.134.5輸入峰峰值（V）10.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.00輸出峰峰值（V）9.849.849.769.449.128.648.167.687.27.146.722. 頻率補(bǔ)償電路輸入 Vs （峰

16、峰值）10.00V,f 200HZ時(shí)，輸出 7甘 9.84V, Av 0.984。K切換到接地端時(shí)輸出噪聲：Vn5.0mv （rms）。fh=102KHZ時(shí)，響應(yīng)時(shí)間：Tr=3.4us。-3dB高頻截止頻率約為102KHZ具體測試數(shù)據(jù)結(jié)果如下表所示：輸入頻率（kHz）0.22358152035506075100102輸入峰峰值（V）10.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0輸出峰峰值（V）9.8410.0810.2410.089.69.129.129.8410.810.8810.167.607.12增益誤差（

17、）1.6%0.8%2.4%0.8%0.4%1.2%1.2%1.6%0.8%8.8%1.6%4.4.2測試分析與結(jié)論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：1、 模擬部分的輸出電壓沒有失真（in put10.00V,output9.94 V），且可明顯看出 誤差較小，滿足題目基本要求。2、模擬模塊的輸出頻帶寬度大約為 4.2KHZ,輸入信號(hào)在f4.13KHZ時(shí)，輸出電壓 峰峰值約為7.14V，滿足題目基本要求。3、頻率補(bǔ)償電路的電壓增益 AV- 1,誤差遠(yuǎn)小于5%同時(shí)滿足題目基本和發(fā)揮部分 要求，且誤差較小。4、 頻率補(bǔ)償電路的頻率帶寬大于100kHz,即大約在102kHz,此時(shí)輸出電壓的峰峰值

18、 為7.12V，滿足題目發(fā)揮部分的要求。5、 無信號(hào)輸入時(shí)，電路本身的噪聲干擾大約為9.5毫伏，遠(yuǎn)小于發(fā)揮部分所規(guī)定的 界限30毫伏，由此滿足發(fā)揮部分的設(shè)計(jì)要求。6當(dāng)輸入信號(hào)f=500Hz時(shí)，TP2端方波的響應(yīng)時(shí)間（及上升沿跳變時(shí)間）為 3.4us , 與理想的響應(yīng)時(shí)間3.5us很近，在范圍內(nèi)正好也驗(yàn)證了本電路的可行性。綜上所述，此次設(shè)計(jì)各指標(biāo)均達(dá)到題目設(shè)計(jì)要求。5參考文獻(xiàn)1 電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試（第三版）.謝自美.華中科技大學(xué)出版社2 電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.康華光.高等教育出版社3 自動(dòng)控制原理.蘇鵬聲.電子工業(yè)出版社4 數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用.王華奎.高等教育出版社5 濾波器綜合法設(shè)計(jì)原理.黃席春等編著人民郵電出版社 信號(hào)處理濾波器設(shè)計(jì)：基于 MATLAB Mathematica的設(shè)計(jì)方法 Miroslav D.Lutovac, DejanV.Tosic, Brian L.Eva ns著.電子工業(yè)出版社6結(jié)束語在調(diào)試頻率補(bǔ)償電路的幾天中我們發(fā)現(xiàn)電路中的每一個(gè)電阻、電容的材質(zhì)及精密度對