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文檔簡介
1、2012年TI杯四川省大學生電子設(shè)計競賽B題:頻率補償電路設(shè)計報告2012年8月題目:頻率補償電路摘 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, 制作完成頻率補償電路。補償網(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 算出有源濾波電路各個參數(shù),設(shè)計出各電路模塊,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,最終較好的實現(xiàn)了對模擬模塊的高頻補償, 并且從測試結(jié)果表明各項指標都符合設(shè)計任務(wù)中的基本和發(fā)揮要求。關(guān)鍵詞: 頻率補償 高通濾波器 傳輸函數(shù)1系統(tǒng)方案設(shè)
2、計1.1模擬模塊運放選擇根據(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)品中自定義選擇運算放大器的型號。方案一:OPA2134PA音頻運算放大器,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高精度低噪聲運算放大器,雙通道運放,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高精度低噪聲運算放大器,單通道運放,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,采取低噪運放,即需要所選運放具有:高阻,高頻,低失調(diào)電流的特點,所 以采取方案一,即OPA2134P作為模擬模塊的運算放大器。1.2頻率補償電路的論證與選擇方案一:高通濾波器(HPF、運算放大網(wǎng)絡(luò)(AMP、低通濾波器(LPF)三級級聯(lián)構(gòu)成 頻率補償網(wǎng)絡(luò)。計算出模擬模塊的傳輸函數(shù) H1 (s),推算出系統(tǒng)增益為常量時的頻率補償網(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 效于一個低通濾波器,初步推測出頻率補償網(wǎng)絡(luò)部分主要是高通濾波器,信號經(jīng)模擬模塊 部分可變?yōu)榉茸兓^小的信號,然后對其進行放大提高幅度,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,實現(xiàn)頻率補償。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、程控運放 AD603低通濾波器、峰值檢測電路構(gòu)成頻率補償網(wǎng)信號經(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,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。采用程控放大器AD603對幅度進行平穩(wěn)調(diào)整,模擬模塊信號輸出經(jīng)過峰值檢測電路作 為AD603的輸入信號,經(jīng)過模擬
5、模塊的信號先通過低通濾波器進行去噪處理,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)來實現(xiàn)增益的線性控制,將輸出信號控制在AD603的最大輸出3V附近,波動維持在較小的范圍內(nèi),AD603的輸出最大電壓土 3V,不能達到輸出電壓有效值 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變?yōu)橹绷餍盘栕鳛锳D603的信號輸入。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,信號更加穩(wěn)定,
6、可以更好實現(xiàn)頻率補償。但是 AD603容易自激振蕩,要求輸入的控制電壓信號十分穩(wěn)定, 且對信號是對以分貝單位信號進行程控,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,但是實際電路會比較復(fù)雜。綜合以上兩種方案,選擇方案一,即高通濾波器、運算放大網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器三級級 聯(lián)構(gòu)成頻率補償網(wǎng)絡(luò)。1.3供電方式選擇方案一:實驗室直流電源供電。方案二:自制線性穩(wěn)壓電源方案論證:實驗室電源不便于搬動,為了方便為運放提供穩(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理論分析與計算2.1模擬模塊部分傳遞函數(shù)計算及零點、極點分析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,模擬模塊與頻率補償模塊的傳輸函數(shù)乘積須為1故頻率補償部分的傳輸函數(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,頻率補償部分電路運放的外接元件在運放反相端左右兩部分相當于對調(diào),是Rf1 Rf1 SCf2 Rf1 Rf1 SCf1Rf1 s2Cf1Cf2f1一個高通濾波器,H2(S)的零點是方程Rf1Rf1 SCf2Rf1 Rf1的根,極點是0和-Rf1Rf1。外接元件位于反相端左側(cè)極點部分在低頻下,兩個電容相當于斷路,高SCf2 Rfi Rfi-Rs頻下電容相當于短路,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,頻率補償部分的主體是高通濾波器(HPF,參考教材電子線路.設(shè)計.實驗設(shè)計出二階高通
10、巴特沃茲濾波器對模擬模塊部分輸出信號進行濾波。當 信號通過HPF之后,理論上信號的幅頻特性會變得比較穩(wěn)定。但是實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行進一步 分析。為了減小噪聲,采用低噪運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運算放大電路部分經(jīng)過前面幾個模塊,輸出波形是較為平緩的幅值較小的信號,需要對其進行放大。用 低噪聲運算放大器對信號進行放大,得到較為平緩的幅值較大的信號。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 。電源輸出噪聲會對系統(tǒng)的輸入信號產(chǎn)生干擾,造成信號失真,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)制零點漂移的措施,我們采用精選元件、對元件進行老化處理、選用高穩(wěn)定度電源
12、 等措施,在集成電路內(nèi)部本身便有補償,盡量減小直流零點漂移。3 電路設(shè)計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 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) 信號源:EE1641B1型函數(shù)信號發(fā)生器/計數(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有無明顯失真。2) 逐漸增加輸入信號的頻率,觀察記錄以200Hz為基準,Vb的-3dB高頻截止頻率。3) 保持200Hz、峰峰值為10V的輸入信號不變,將示波器探頭接到TP2端,觀察記錄輸出信號。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展到大于 50kHz以 及頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動是否在土 10%以內(nèi)。5) 去掉輸入信號,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 察輸出信號的上升沿跳變時間。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,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. 頻率補償電路輸入 Vs (峰
16、峰值)10.00V,f 200HZ時,輸出 7甘 9.84V, Av 0.984。K切換到接地端時輸出噪聲:Vn5.0mv (rms)。fh=102KHZ時,響應(yīng)時間: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,輸入信號在f4.13KHZ時,輸出電壓 峰峰值約為7.14V,滿足題目基本要求。3、頻率補償電路的電壓增益 AV- 1,誤差遠小于5%同時滿足題目基本和發(fā)揮部分 要求,且誤差較小。4、 頻率補償電路的頻率帶寬大于100kHz,即大約在102kHz,此時輸出電壓的峰峰值
18、 為7.12V,滿足題目發(fā)揮部分的要求。5、 無信號輸入時,電路本身的噪聲干擾大約為9.5毫伏,遠小于發(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)計要求。6當輸入信號f=500Hz時,TP2端方波的響應(yīng)時間(及上升沿跳變時間)為 3.4us , 與理想的響應(yīng)時間3.5us很近,在范圍內(nèi)正好也驗證了本電路的可行性。綜上所述,此次設(shè)計各指標均達到題目設(shè)計要求。5參考文獻1 電子線路設(shè)計、實驗、測試(第三版).謝自美.華中科技大學出版社2 電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.康華光.高等教育出版社3 自動控制原理.蘇鵬聲.電子工業(yè)出版社4 數(shù)字信號處理及應(yīng)用.王華奎.高等教育出版社5 濾波器綜合法設(shè)計原理.黃席春等編著人民郵電出版社 信號處理濾波器設(shè)計:基于 MATLAB Mathematica的設(shè)計方法 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)試頻率補償電路的幾天中我們發(fā)現(xiàn)電路中的每一個電阻、電容的材質(zhì)及精密度對
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