頻率補償電路0001

1、1.系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計要求1.1.1任務(wù)設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1電路結(jié)構(gòu)1.1.2要求基本要求按圖1.1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(guān)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4.5kHz0.5kHz。設(shè)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|=10.05。以電壓增益A(20

2、0Hz)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(nèi)的電壓增益A(f)的波動在20%以內(nèi)。(3)在達到基本要求的第、項指標后，將開關(guān)K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓VnW30mV。發(fā)揮部分(1)在達到基本要求的第項指標后，以電壓增益A(200Hz)為基準，將A(f)的-3dB高頻截止頻率擴展到100kHz5kHz。(2)以電壓增益A(200Hz)為基準，頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動在10%以內(nèi)。(3)在達到基本要求的第項和發(fā)揮部分的指標后，將開關(guān)K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方

3、根電壓Vn10mV。(4)其他。1.1.3說明.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(chǎn)品。.要求“模擬模塊”輸出Vb的-3dB高頻截止頻率為4.5kHz0.5kHz。如果所測高頻截止頻率三6kHz,則以后項目將不予評測。.根據(jù)對高頻響應(yīng)特性的要求，頻率補償電路中插入適當?shù)牡屯V波電路可以有效降低輸出V。的高頻噪聲。此外，還應(yīng)注意輸入電路的屏蔽。.在圖1.1所示開關(guān)K切換到接地端的條件下，在T端接入圖1.2(a)所示的電路可簡化系統(tǒng)頻率特性的測試、調(diào)整過程。設(shè)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

4、應(yīng)近似為方波脈沖。如果頻率補償電路的參數(shù)已調(diào)整適當，則輸出V。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(yīng)為tr7口s；若fH=100kH,z則tr3.5us；tr的定義如圖1.2(b所示。應(yīng)用fHtr0.35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。注意到運放A反相輸入端的引線應(yīng)盡量短，以避免引入額外干擾。(b)(b)圖1.2輔助調(diào)試電路及波形定義4.要求在Vb端和Vo端預設(shè)測試點（TP1、TP2）,以便于測試時連接示波器探頭。1.2總體設(shè)計方案設(shè)計思路由“模擬模塊”的電路圖連接實際電路，測試其輸出特性，滿足要求后，由補償后的放大倍數(shù)為1，可

5、得出在變換到復頻域后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為1。因此，可先列出模擬模塊的傳遞函數(shù)，進而可求得頻率補償模塊的傳遞函數(shù)，便可以由傳遞函數(shù)設(shè)計頻率補償模塊的電路結(jié)構(gòu)。方案論證與比較方案一：RC網(wǎng)絡(luò)補償：由”模擬模塊”的傳遞函數(shù)，計算可得知補償模塊傳遞函數(shù)，用傳遞函數(shù)構(gòu)造出由電容和電阻組成的電路。方案二：A/D網(wǎng)絡(luò)補償：通過用A/D模塊把衰減情況變換成數(shù)字量，再用單片機采集模擬模塊隨頻率變化的衰減數(shù)據(jù)，與目標放大倍數(shù)進行分析比較，結(jié)合模擬模塊放大倍數(shù)與頻率的關(guān)系，得出比較的差值后，用D/A模塊變換回模擬量，控制電路對衰減的部分進行補償，實現(xiàn)衰減多少，補償多少的設(shè)計。方案三：有源補償：有源補償主要是使用運算放大

6、器構(gòu)成運算電路，實現(xiàn)積分和微分等補償方法電路。由前端電路的傳遞函數(shù)設(shè)計頻率補償電路。方案比較選擇：綜合分析方案一、二、三。方案一設(shè)計復雜，誤差、功耗較大，較難設(shè)計實現(xiàn)；方案二A/D轉(zhuǎn)換引起誤差并放大，電路設(shè)計成本較高，頻率補償具有滯后性；方案三電路結(jié)構(gòu)簡單，電路成本低，補償實時性好。本設(shè)計采用方案三。系統(tǒng)組成運算放大器信號發(fā)生器/接地圖1.3系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖頻率補償模塊2單元硬件設(shè)計2.1“模擬模塊”的電路模塊設(shè)計“模擬模塊”的電路用？Rfl-0|E-5.1MID瞥1宗賀白OPM134LArgVCC2EH-15V圖2.1模擬模塊電路圖理論計算由運放的“虛短虛斷”知TOC o 1-5 h zU

7、+=U-=0,即R與C并聯(lián)，Z為等效阻抗：f1f231R*一fisCRZ=fp-=f31R*sC+1R+f1f2f1sCf2Z是Z與R的串聯(lián)阻抗即Z為：23f22R+R+R*R*sCf2flf2f2R*sC+1f1f2Z為Z與C的并聯(lián)阻抗，即Z為:R+R+R*R*sCf2f1f2f2R*sC+1ff2R+R+R*R*sCsCfisC*f1f2f1f2f2+sCfif1R*sC+1f1f2R+R+R*R*sCf1f2f1f2f2R*R*sC*sC+R*sC+R*sC+R*sC+1f1f2f1f2f1由運放的“虛短虛斷”知：f1f1f2f2f1vb-1所以，模擬某傳感器電路模塊的傳遞函數(shù)為G&).

8、G(s)-，-1vsR+R+R*R*C*s即G(s)-Cf1f2f1f2_fR*R*R*C*C*s+R*C*s+R*C*s+R*C*s+1sf1f2f1f2f1f1f1f2f2f1-10.2+1222.247義10-6s)10義k.1x5.1*4.7*4.7義10-12*s2+3*5.1*4.7義10-6*s+1-1222.274x10-6*s-10.210*(47.56*10-12*s2+71.9x10-6*s+1“模擬模塊”傳遞函數(shù)幅頻特性圖2.2模擬模塊傳遞函數(shù)MATLAB圖2.2模擬模塊傳遞函數(shù)MATLAB仿真幅頻圖和相位圖心一號5,a程序：G=tf(-O.001222-10.2,57

9、40.5610(-12)0.00071910);bode(G)根據(jù)幅頻和相位特性曲線可知，頻率在105rad/s時，信號開始衰減，因此設(shè)計頻率補償電路，傳遞函數(shù)要設(shè)計從105rad/s進行補償?！澳M模塊”傳遞函數(shù)零極點分析圖2.3模擬模塊零極點分析MATLAB仿真幅頻圖和相位圖G=tf(-0.001222-10.2,5740.56*10X-12)0.00071910);零點：z=-8.3470e+003；極點:p=2x1double；增益:k=-2.1287e+005圖2.4模擬模塊零極點分析圖2.4模擬模塊零極點分析MATLAB仿真幅頻圖和相位圖G=tf(5740.56*10/(-12)0

10、.00071910,-0.001222-10.2);零點：z=2x1double；極點：p=-8.3470e+003；增益：k=-4.6977e-0062.2頻率補償電路模塊設(shè)計理論計算令G2(s%頻率補償電路的傳遞函數(shù):由圖1.1知：G(s)*G(s)=112即:G即:G2(s)=/*R*C*C*s+R*C*s+R*C*s+R*Cf1f2fJf2fJfJfJf2f2f1R+R+R*R*C*s(f1f2f1f2f2)10 xb1X5.1X4.7K4.7x10-12*s2+3x5.1x4.7x10-6*s+1)10.2+1222.247x10-6s10*.7.56*10-12*s2+71.9x1

11、0-6*s+1)-1222.274x10-6*s-10.22.2.2頻率補償電路模塊傳遞函數(shù)幅頻特性FfwiairirtdAij-圖2.5頻率補償電路傳遞函數(shù)FfwiairirtdAij-圖2.5頻率補償電路傳遞函數(shù)MATLAB仿真幅頻圖和相位圖程序：G=tf(-O.001222-10.2,5740.5610(-12)0.00071910);bode(G)根據(jù)幅頻和相位特性曲線可知，頻率在105rad/s時，信號開始衰減，因此若要在后期設(shè)計頻率補償電路，要設(shè)計從105rad/s進行補償。2.2.3電路模型的建立圖2.6頻率補償電路圖此電路由電容Cfi=Cf2=2.35pF,Cf3=Cf4.7pF;電阻