最新頻率補(bǔ)償電路

1、 2014年“TI”杯重慶市電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 頻率補(bǔ)償電路 競(jìng)賽選題： 頻率補(bǔ)償電路 學(xué) 校： 重慶大學(xué)城市科技學(xué)院參賽隊(duì)員： 孫紹丹 徐敏 程莉 摘要 本設(shè)計(jì)制作了一個(gè)頻率補(bǔ)償電路將一個(gè)在高頻部分衰減了的“模擬某傳感器特性的電路模塊”高頻部分補(bǔ)償回來所有頻率補(bǔ)償部分都采用了模擬電路方案實(shí)現(xiàn)。傳感器特性的電路模塊的模擬根據(jù)要求運(yùn)算放大器A使用TI公司產(chǎn)品高性能音頻運(yùn)算放大器OPA4134、OPA2277能夠做到超低失真,低噪聲音頻應(yīng)用完全指定。整個(gè)補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)了在頻率達(dá)到100kHz時(shí)衰減并有在70kHz前沒有明顯波動(dòng)關(guān)鍵詞頻率補(bǔ)償?shù)?高通濾波信噪比單片機(jī)顯示 目錄摘要2目錄3一、引言41.1、主

2、要任務(wù)41.2、設(shè)計(jì)要求41.2.1、基本要求41.2.2、發(fā)揮部分51.3、設(shè)計(jì)說明5二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證62.1方案論證與選擇62.1.1模擬某傳感器特性的電路模塊62.1.2高通濾波電路模塊62.1.3低通濾波電路模塊62.2系統(tǒng)整體的最終方案6三、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)73.1硬件電路器件選擇與參數(shù)選擇73.1.1模擬某傳感器特性的電路73.1.2高通濾波電路73.1.3 低通濾波電路 圖83.1.3 峰值檢測(cè)電路9四、測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析104.1 測(cè)試儀器104.2 測(cè)試數(shù)據(jù)104.2.1模擬模塊數(shù)據(jù)記錄104.2.2 頻率補(bǔ)償數(shù)據(jù)記錄114.2.3 輸出噪聲數(shù)據(jù)記錄114.2.4

3、單片機(jī)測(cè)試記錄11五、設(shè)計(jì)結(jié)果總結(jié)12六、測(cè)試總結(jié)及改進(jìn)分析13七 參考文獻(xiàn)13一、引言 1.1、主要任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)頻率補(bǔ)償電路，補(bǔ)償“模擬某傳感器特性的電路模塊”（以下簡(jiǎn)稱“模擬模塊”）的高頻特性。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 電路結(jié)構(gòu)圖1 聲音定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.2、設(shè)計(jì)要求1.2.1、基本要求(1) 按圖1所示組裝“模擬模塊”電路，其中正弦波電壓信號(hào)發(fā)生器可使用普通函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。在開關(guān)K接Vs的條件下達(dá)到如下要求：Vs為200Hz、峰峰值為10V時(shí)，“模擬模塊”輸出Vb沒有明顯失真。以200Hz為基準(zhǔn)，Vb的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz ± 0.5 kHz。(2) 設(shè)

4、計(jì)并制作頻率補(bǔ)償電路，使之達(dá)到如下要求：頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1± 0.05。以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，將A(f)=|Vo/Vs|的3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于50kHz。以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，頻率035kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)在±20%以內(nèi)。(3)在達(dá)到基本要求(2)的第、項(xiàng)指標(biāo)后，將開關(guān)K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn30 mV。1.2.2、發(fā)揮部分 (1) 在達(dá)到基本要求(2)的第項(xiàng)指標(biāo)后，以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，將A(f)的3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到100kHz ±

5、 5kHz。(2) 以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)在±10%以內(nèi)。(3) 在達(dá)到基本要求(2)的第項(xiàng)和發(fā)揮部分(1)的指標(biāo)后，將開關(guān)K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn 10 mV。(4) 其他。1.3、設(shè)計(jì)說明1. 根據(jù)頻帶要求，直流特性和外部元件參數(shù)，自選“模擬模塊”中的運(yùn)算放大器A，該運(yùn)放必須為TI公司產(chǎn)品。2. 要求“模擬模塊”輸出Vb的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz ± 0.5 kHz。如果所測(cè)高頻截止頻率6 kHz，則以后項(xiàng)目將不予評(píng)測(cè)。3. 根據(jù)對(duì)高頻響應(yīng)特性的要求，頻率補(bǔ)償電路中插入適當(dāng)?shù)牡屯V波

6、電路可以有效降低輸出Vo的高頻噪聲。此外，還應(yīng)注意輸入電路的屏蔽。4. 在圖1所示開關(guān)K切換到接地端的條件下，在T端接入圖2(a)所示的電路可簡(jiǎn)化系統(tǒng)頻率特性的測(cè)試、調(diào)整過程。設(shè)定函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出Vt為頻率500Hz、峰峰值5V的三角波電壓，則輸出Vb的波形應(yīng)近似為方波脈沖。如果頻率補(bǔ)償電路的參數(shù)已調(diào)整適當(dāng)，則輸出Vo的方波脈沖會(huì)接近理想形狀。若高頻截止頻率為fH=50kHz，則輸出的方波脈沖上升時(shí)間應(yīng)為tr 7s；若fH=100kHz，則tr 3.5s；tr的定義如圖2(b)所示。應(yīng)用fH·tr 0.35的原理，可將系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性調(diào)整到所要求的指標(biāo)。注意：Ci到運(yùn)放A反相輸入

7、端的引線應(yīng)盡量短，以避免引入額外干擾。圖2 輔助調(diào)試電路及波形定義4. 要求在Vb端和Vo端預(yù)設(shè)測(cè)試點(diǎn)（TP1、TP2），以便于測(cè)試時(shí)連接示波器探頭。 2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 下面就模擬傳感器特性模塊和頻率補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論與分析 2.1方案論證與選擇 2.1.1模擬某傳感器特性的電路模塊 按照題目要求組裝“模擬模塊”電路屬于低通濾波電路截止以200Hz為基準(zhǔn)Vb的?3dB高頻截止頻率為4.5 kHz±0.5 kHz。 2.1.2高通濾波電路模塊 為了使電路以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)將A(f)的?3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到100kHz ± 5kHz設(shè)計(jì)在模

8、擬模塊后面接上一個(gè)高通濾波電路。 方案一使用最簡(jiǎn)單的電子高通濾波器包括一個(gè)與信號(hào)通路串聯(lián)的電容器和與信號(hào)通路并聯(lián)的電阻。這種濾波方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但性能較差受電路阻抗影響較大。 方案二采用有源二階濾波采用元件數(shù)目較少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)整方便采用TI公司運(yùn)算放大器作為有源器件幾乎沒有負(fù)載效應(yīng)本設(shè)計(jì)頻率不高故選用方案二。 2.1.3低通濾波電路模塊 為了使通頻帶平緩在到達(dá)截止頻率時(shí)能夠盡快地衰減并有效地降低輸出Vo的高頻噪聲在后面接上了一級(jí)100kHz低通濾波電路。 2.2系統(tǒng)整體的最終方案 綜合考慮各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案頻率補(bǔ)償電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 三、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 3.1硬件電路器件選擇與參數(shù)

9、選擇3.1.1模擬某傳感器特性的電路 按題目要求選擇模擬模塊部分的參數(shù)和電路連接如圖2所示。 3.1.2高通濾波電路 根據(jù)濾波器傳遞頻率函數(shù)表達(dá)的輸出與輸入間的傳遞關(guān)系如果希望補(bǔ)償前級(jí)模塊模擬的低通濾波高頻部分所以本設(shè)計(jì)將前級(jí)低通濾波電路的反饋部分與輸入部分顛倒作為高通濾波電路如圖3所示由于引腳之間都存在一定的電容所以在電容C8旁邊串聯(lián)進(jìn)一個(gè)電阻增加其阻性減小Q值使頻率特性平緩。 圖3高通濾波電路3.1.3 低通濾波電路 圖 低通濾波電路采用通頻帶最平緩的二階巴特沃斯濾波電路通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦沒有起伏而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波得圖上從某一邊界角頻率開始振

10、幅隨著角頻率的增加而逐步減少趨向負(fù)無窮大。衰減率為每倍頻12分貝截止頻率公式 按照要求截止頻率設(shè)在100kHz電路圖如圖4所示頻率特性曲線仿真如圖5所示。 3.1.3 峰值檢測(cè)電路 峰值檢測(cè)電路的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)電路輸出值會(huì)一直保持直到一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。電路采用FET運(yùn)放提高直流特性減小偏置電流將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用可以有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力電路圖如圖6所示。在峰值檢測(cè)電路后因?yàn)橐敵鼋o單片機(jī)所以使用了TI公司的TL431成比例穩(wěn)壓使輸出不超過基準(zhǔn)電壓2.5V。 圖6 峰值檢測(cè)電路四、測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)

11、果分析 4.1 測(cè)試儀器 1、YB1732A 3A雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 2、F120型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 采集 3、SDS1102CFL雙蹤數(shù)字示波器 4、 UT802四位數(shù)字萬用表 4.2 測(cè)試數(shù)據(jù) 4.2.1模擬模塊數(shù)據(jù)記錄 1、Vs為200Hz、峰峰值為10V時(shí)“模擬模塊”輸出Vb如圖8所示10.40V沒有明顯失真 2、以200Hz為基準(zhǔn)Vb的? 3dB高頻截止頻率如圖9所示為5.00kHz 4.2.2 頻率補(bǔ)償數(shù)據(jù)記錄 1、頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|如圖10所示等于1.04 2、以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)Vo在?3dB高頻截止頻率如圖11所示

12、為102.0kHz 3、以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)波動(dòng)如圖12所示在±10%以內(nèi) 4.2.3 輸出噪聲數(shù)據(jù)記錄 將開關(guān)K切換到接地端輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn如圖13所示小于10mV 4.2.4 單片機(jī)測(cè)試記錄將Vo輸出給單片機(jī)顯示記錄數(shù)據(jù)如表1所示 頻率 200HZ 10KHZ 50KHZ 70KHZ100KHZ示波器顯示單片機(jī)顯示五、設(shè)計(jì)結(jié)果總結(jié) 作品達(dá)到了題目所有基礎(chǔ)功能及發(fā)揮部分的要求并有拓展 1、“模擬模塊”電路Vs為200Hz、峰峰值為10V時(shí)“模擬模塊”輸出Vb沒有明顯失真以200Hz為基準(zhǔn)Vb的?3dB高頻截止頻率為4.5

13、kHz±0.5 kHz 2、頻率補(bǔ)償電路頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1±0.05以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)將A(f)=|Vo/Vs|的?3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于50kHz到100kHz ± 5kHz以電壓增益i(200Hz)為基準(zhǔn)頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)在±10%以內(nèi) 3、輸出噪聲將開關(guān)K切換到接地端輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn10 mV 4、MSP430f5438a單片機(jī)可以顯示輸出峰值及波形。 六、測(cè)試總結(jié)及改進(jìn)分析 由于在焊接和調(diào)試過程中電容值取得太小非常容易受到外界的干擾問題所以使用了可調(diào)電容代替 Vo輸出的信號(hào)經(jīng)峰值檢測(cè)電路為一個(gè)約為5V的高電