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文檔簡介
1、 2014年“TI”杯重慶市電子設計競賽 頻率補償電路 競賽選題: 頻率補償電路 學 校: 重慶大學城市科技學院參賽隊員: 孫紹丹 徐敏 程莉 摘要 本設計制作了一個頻率補償電路將一個在高頻部分衰減了的“模擬某傳感器特性的電路模塊”高頻部分補償回來所有頻率補償部分都采用了模擬電路方案實現(xiàn)。傳感器特性的電路模塊的模擬根據(jù)要求運算放大器A使用TI公司產品高性能音頻運算放大器OPA4134、OPA2277能夠做到超低失真,低噪聲音頻應用完全指定。整個補償模塊實現(xiàn)了在頻率達到100kHz時衰減并有在70kHz前沒有明顯波動關鍵詞頻率補償?shù)?高通濾波信噪比單片機顯示 目錄摘要2目錄3一、引言41.1、主
2、要任務41.2、設計要求41.2.1、基本要求41.2.2、發(fā)揮部分51.3、設計說明5二、 系統(tǒng)設計方案論證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)軟硬件設計和實現(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 峰值檢測電路9四、測試數(shù)據(jù)與結果分析104.1 測試儀器104.2 測試數(shù)據(jù)104.2.1模擬模塊數(shù)據(jù)記錄104.2.2 頻率補償數(shù)據(jù)記錄114.2.3 輸出噪聲數(shù)據(jù)記錄114.2.4
3、單片機測試記錄11五、設計結果總結12六、測試總結及改進分析13七 參考文獻13一、引言 1.1、主要任務設計并制作一個頻率補償電路,補償“模擬某傳感器特性的電路模塊”(以下簡稱“模擬模塊”)的高頻特性。電路結構如圖1所示。圖1 電路結構圖1 聲音定位系統(tǒng)結構示意圖1.2、設計要求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發(fā)生器可使用普通函數(shù)信號發(fā)生器。在開關K接Vs的條件下達到如下要求:Vs為200Hz、峰峰值為10V時,“模擬模塊”輸出Vb沒有明顯失真。以200Hz為基準,Vb的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz ± 0.5 kHz。(2) 設
4、計并制作頻率補償電路,使之達到如下要求:頻率為200Hz時的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1± 0.05。以電壓增益A(200Hz)為基準,將A(f)=|Vo/Vs|的3dB高頻截止頻率擴展到大于50kHz。以電壓增益A(200Hz)為基準,頻率035kHz范圍內的電壓增益A(f)的波動在±20%以內。(3)在達到基本要求(2)的第、項指標后,將開關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) 在達到基本要求(2)的第項指標后,以電壓增益A(200Hz)為基準,將A(f)的3dB高頻截止頻率擴展到100kHz ±
5、 5kHz。(2) 以電壓增益A(200Hz)為基準,頻率070kHz范圍內的電壓增益A(f)的波動在±10%以內。(3) 在達到基本要求(2)的第項和發(fā)揮部分(1)的指標后,將開關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、設計說明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”中的運算放大器A,該運放必須為TI公司產品。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。如果所測高頻截止頻率6 kHz,則以后項目將不予評測。3. 根據(jù)對高頻響應特性的要求,頻率補償電路中插入適當?shù)牡屯V波
6、電路可以有效降低輸出Vo的高頻噪聲。此外,還應注意輸入電路的屏蔽。4. 在圖1所示開關K切換到接地端的條件下,在T端接入圖2(a)所示的電路可簡化系統(tǒng)頻率特性的測試、調整過程。設定函數(shù)信號發(fā)生器輸出Vt為頻率500Hz、峰峰值5V的三角波電壓,則輸出Vb的波形應近似為方波脈沖。如果頻率補償電路的參數(shù)已調整適當,則輸出Vo的方波脈沖會接近理想形狀。若高頻截止頻率為fH=50kHz,則輸出的方波脈沖上升時間應為tr 7s;若fH=100kHz,則tr 3.5s;tr的定義如圖2(b)所示。應用fH·tr 0.35的原理,可將系統(tǒng)的頻率響應特性調整到所要求的指標。注意:Ci到運放A反相輸入
7、端的引線應盡量短,以避免引入額外干擾。圖2 輔助調試電路及波形定義4. 要求在Vb端和Vo端預設測試點(TP1、TP2),以便于測試時連接示波器探頭。 2、 系統(tǒng)設計方案論證 下面就模擬傳感器特性模塊和頻率補償?shù)汝P鍵模塊的設計方案進行討論與分析 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)為基準將A(f)的?3dB高頻截止頻率擴展到100kHz ± 5kHz設計在模
8、擬模塊后面接上一個高通濾波電路。 方案一使用最簡單的電子高通濾波器包括一個與信號通路串聯(lián)的電容器和與信號通路并聯(lián)的電阻。這種濾波方式結構簡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)目較少結構簡單調整方便采用TI公司運算放大器作為有源器件幾乎沒有負載效應本設計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截止頻率時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 綜合考慮各個模塊的設計方案頻率補償電路的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。 三、系統(tǒng)軟硬件設計和實現(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)表達的輸出與輸入間的傳遞關系如果希望補償前級模塊模擬的低通濾波高頻部分所以本設計將前級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)進一個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的頻率響應曲線最大限度平坦沒有起伏而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對數(shù)對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 峰值檢測電路 峰值檢測電路的作用是對輸入信號的峰值進行提取產生輸出Vo = Vpeak為了實現(xiàn)這樣的目標電路輸出值會一直保持直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復位。電路采用FET運放提高直流特性減小偏置電流將場效應管當二極管用可以有效減小反向電流同時增加第一個運放的輸出驅動力電路圖如圖6所示。在峰值檢測電路后因為要輸出給單片機所以使用了TI公司的TL431成比例穩(wěn)壓使輸出不超過基準電壓2.5V。 圖6 峰值檢測電路四、測試數(shù)據(jù)與結
11、果分析 4.1 測試儀器 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“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Vb的? 3dB高頻截止頻率如圖9所示為5.00kHz 4.2.2 頻率補償數(shù)據(jù)記錄 1、頻率為200Hz時的電壓增益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070kHz范圍內的電壓增益A(f)波動如圖12所示在±10%以內 4.2.3 輸出噪聲數(shù)據(jù)記錄 將開關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 單片機測試記錄將Vo輸出給單片機顯示記錄數(shù)據(jù)如表1所示 頻率 200HZ 10KHZ 50KHZ 70KHZ100KHZ示波器顯示單片機顯示五、設計結果總結 作品達到了題目所有基礎功能及發(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“模擬模塊”輸出Vb沒有明顯失真以200Hz為基準Vb的?3dB高頻截止頻率為4.5
13、kHz±0.5 kHz 2、頻率補償電路頻率為200Hz時的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1±0.05以電壓增益A(200Hz)為基準將A(f)=|Vo/Vs|的?3dB高頻截止頻率擴展到大于50kHz到100kHz ± 5kHz以電壓增益i(200Hz)為基準頻率070kHz范圍內的電壓增益A(f)的波動在±10%以內 3、輸出噪聲將開關K切換到接地端輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn10 mV 4、MSP430f5438a單片機可以顯示輸出峰值及波形。 六、測試總結及改進分析 由于在焊接和調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電容代替 Vo輸出的信號經峰值檢測電路為一個約為5V的高電
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