最新频率补偿电路

1、 2014年“TI”杯重庆市电子设计竞赛 频率补偿电路 竞赛选题： 频率补偿电路 学 校： 重庆大学城市科技学院参赛队员： 孙绍丹 徐敏 程莉 摘要 本设计制作了一个频率补偿电路将一个在高频部分衰减了的“模拟某传感器特性的电路模块”高频部分补偿回来所有频率补偿部分都采用了模拟电路方案实现。传感器特性的电路模块的模拟根据要求运算放大器A使用TI公司产品高性能音频运算放大器OPA4134、OPA2277能够做到超低失真,低噪声音频应用完全指定。整个补偿模块实现了在频率达到100kHz时衰减并有在70kHz前没有明显波动关键词频率补偿低/高通滤波信噪比单片机显示 目录摘要2目录3一、引言41.1、主

2、要任务41.2、设计要求41.2.1、基本要求41.2.2、发挥部分51.3、设计说明5二、 系统设计方案论证62.1方案论证与选择62.1.1模拟某传感器特性的电路模块62.1.2高通滤波电路模块62.1.3低通滤波电路模块62.2系统整体的最终方案6三、系统软硬件设计和实现73.1硬件电路器件选择与参数选择73.1.1模拟某传感器特性的电路73.1.2高通滤波电路73.1.3 低通滤波电路 图83.1.3 峰值检测电路9四、测试数据与结果分析104.1 测试仪器104.2 测试数据104.2.1模拟模块数据记录104.2.2 频率补偿数据记录114.2.3 输出噪声数据记录114.2.4

3、单片机测试记录11五、设计结果总结12六、测试总结及改进分析13七 参考文献13一、引言 1.1、主要任务设计并制作一个频率补偿电路，补偿“模拟某传感器特性的电路模块”（以下简称“模拟模块”）的高频特性。电路结构如图1所示。图1 电路结构图1 声音定位系统结构示意图1.2、设计要求1.2.1、基本要求(1) 按图1所示组装“模拟模块”电路，其中正弦波电压信号发生器可使用普通函数信号发生器。在开关K接Vs的条件下达到如下要求：Vs为200Hz、峰峰值为10V时，“模拟模块”输出Vb没有明显失真。以200Hz为基准，Vb的3dB高频截止频率为4.5 kHz ± 0.5 kHz。(2) 设

4、计并制作频率补偿电路，使之达到如下要求：频率为200Hz时的电压增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1± 0.05。以电压增益A(200Hz)为基准，将A(f)=|Vo/Vs|的3dB高频截止频率扩展到大于50kHz。以电压增益A(200Hz)为基准，频率035kHz范围内的电压增益A(f)的波动在±20%以内。(3)在达到基本要求(2)的第、项指标后，将开关K切换到接地端，输出Vo的噪声均方根电压Vn30 mV。1.2.2、发挥部分 (1) 在达到基本要求(2)的第项指标后，以电压增益A(200Hz)为基准，将A(f)的3dB高频截止频率扩展到100kHz ±

5、 5kHz。(2) 以电压增益A(200Hz)为基准，频率070kHz范围内的电压增益A(f)的波动在±10%以内。(3) 在达到基本要求(2)的第项和发挥部分(1)的指标后，将开关K切换到接地端，输出Vo的噪声均方根电压Vn 10 mV。(4) 其他。1.3、设计说明1. 根据频带要求，直流特性和外部元件参数，自选“模拟模块”中的运算放大器A，该运放必须为TI公司产品。2. 要求“模拟模块”输出Vb的3dB高频截止频率为4.5 kHz ± 0.5 kHz。如果所测高频截止频率6 kHz，则以后项目将不予评测。3. 根据对高频响应特性的要求，频率补偿电路中插入适当的低通滤波

6、电路可以有效降低输出Vo的高频噪声。此外，还应注意输入电路的屏蔽。4. 在图1所示开关K切换到接地端的条件下，在T端接入图2(a)所示的电路可简化系统频率特性的测试、调整过程。设定函数信号发生器输出Vt为频率500Hz、峰峰值5V的三角波电压，则输出Vb的波形应近似为方波脉冲。如果频率补偿电路的参数已调整适当，则输出Vo的方波脉冲会接近理想形状。若高频截止频率为fH=50kHz，则输出的方波脉冲上升时间应为tr 7s；若fH=100kHz，则tr 3.5s；tr的定义如图2(b)所示。应用fH·tr 0.35的原理，可将系统的频率响应特性调整到所要求的指标。注意：Ci到运放A反相输入

7、端的引线应尽量短，以避免引入额外干扰。图2 辅助调试电路及波形定义4. 要求在Vb端和Vo端预设测试点（TP1、TP2），以便于测试时连接示波器探头。 2、 系统设计方案论证 下面就模拟传感器特性模块和频率补偿等关键模块的设计方案进行讨论与分析 2.1方案论证与选择 2.1.1模拟某传感器特性的电路模块 按照题目要求组装“模拟模块”电路属于低通滤波电路截止以200Hz为基准Vb的?3dB高频截止频率为4.5 kHz±0.5 kHz。 2.1.2高通滤波电路模块 为了使电路以电压增益A(200Hz)为基准将A(f)的?3dB高频截止频率扩展到100kHz ± 5kHz设计在模

8、拟模块后面接上一个高通滤波电路。 方案一使用最简单的电子高通滤波器包括一个与信号通路串联的电容器和与信号通路并联的电阻。这种滤波方式结构简单但性能较差受电路阻抗影响较大。 方案二采用有源二阶滤波采用元件数目较少结构简单调整方便采用TI公司运算放大器作为有源器件几乎没有负载效应本设计频率不高故选用方案二。 2.1.3低通滤波电路模块 为了使通频带平缓在到达截止频率时能够尽快地衰减并有效地降低输出Vo的高频噪声在后面接上了一级100kHz低通滤波电路。 2.2系统整体的最终方案 综合考虑各个模块的设计方案频率补偿电路的系统结构框图如图1所示。 三、系统软硬件设计和实现 3.1硬件电路器件选择与参数

9、选择3.1.1模拟某传感器特性的电路 按题目要求选择模拟模块部分的参数和电路连接如图2所示。 3.1.2高通滤波电路 根据滤波器传递频率函数表达的输出与输入间的传递关系如果希望补偿前级模块模拟的低通滤波高频部分所以本设计将前级低通滤波电路的反馈部分与输入部分颠倒作为高通滤波电路如图3所示由于引脚之间都存在一定的电容所以在电容C8旁边串联进一个电阻增加其阻性减小Q值使频率特性平缓。 图3高通滤波电路3.1.3 低通滤波电路 图 低通滤波电路采用通频带最平缓的二阶巴特沃斯滤波电路通频带内的频率响应曲线最大限度平坦没有起伏而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波得图上从某一边界角频率开始振

10、幅随着角频率的增加而逐步减少趋向负无穷大。衰减率为每倍频12分贝截止频率公式 按照要求截止频率设在100kHz电路图如图4所示频率特性曲线仿真如图5所示。 3.1.3 峰值检测电路 峰值检测电路的作用是对输入信号的峰值进行提取产生输出Vo = Vpeak为了实现这样的目标电路输出值会一直保持直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。电路采用FET运放提高直流特性减小偏置电流将场效应管当二极管用可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力电路图如图6所示。在峰值检测电路后因为要输出给单片机所以使用了TI公司的TL431成比例稳压使输出不超过基准电压2.5V。 图6 峰值检测电路四、测试数据与结

11、果分析 4.1 测试仪器 1、YB1732A 3A双路跟踪稳压稳流电源 2、F120型数字合成函数信号发生器 采集 3、SDS1102CFL双踪数字示波器 4、 UT802四位数字万用表 4.2 测试数据 4.2.1模拟模块数据记录 1、Vs为200Hz、峰峰值为10V时“模拟模块”输出Vb如图8所示10.40V没有明显失真 2、以200Hz为基准Vb的? 3dB高频截止频率如图9所示为5.00kHz 4.2.2 频率补偿数据记录 1、频率为200Hz时的电压增益A(200Hz)=|Vo/Vs|如图10所示等于1.04 2、以电压增益A(200Hz)为基准Vo在?3dB高频截止频率如图11所示

12、为102.0kHz 3、以电压增益A(200Hz)为基准070kHz范围内的电压增益A(f)波动如图12所示在±10%以内 4.2.3 输出噪声数据记录 将开关K切换到接地端输出Vo的噪声均方根电压Vn如图13所示小于10mV 4.2.4 单片机测试记录将Vo输出给单片机显示记录数据如表1所示 频率 200HZ 10KHZ 50KHZ 70KHZ100KHZ示波器显示单片机显示五、设计结果总结 作品达到了题目所有基础功能及发挥部分的要求并有拓展 1、“模拟模块”电路Vs为200Hz、峰峰值为10V时“模拟模块”输出Vb没有明显失真以200Hz为基准Vb的?3dB高频截止频率为4.5

13、kHz±0.5 kHz 2、频率补偿电路频率为200Hz时的电压增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1±0.05以电压增益A(200Hz)为基准将A(f)=|Vo/Vs|的?3dB高频截止频率扩展到大于50kHz到100kHz ± 5kHz以电压增益i(200Hz)为基准频率070kHz范围内的电压增益A(f)的波动在±10%以内 3、输出噪声将开关K切换到接地端输出Vo的噪声均方根电压Vn10 mV 4、MSP430f5438a单片机可以显示输出峰值及波形。 六、测试总结及改进分析 由于在焊接和调试过程中电容值取得太小非常容易受到外界的干扰问题所以使用了可调电容代替 Vo输出的信号经峰值检测电路为一个约为5V的高电