频率补偿电路.doc

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1、1.系统设计1.1设计要求1.1.1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1.1所示。图1.1电路结构1.1.2要求1.基本要求(1)按图1.1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：①Vs为200Hz、峰峰值为10V时，“模拟模块”输出Vb没有明显失真。②以200Hz为基准，Vb的−3dB高频截止频率为4.5kHz±0.5kHz。(2)设计并制作频率补偿电路，使之达到如下要求：①频率为200Hz时的电压

2、增益A(200Hz)=

3、Vo/Vs

4、=1±0.05。②以电压增益A(200Hz)为基准，将A(f)=

5、Vo/Vs

6、的−3dB高频截止频率扩展到大于50kHz。③以电压增益A(200Hz)为基准，频率0~35kHz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①、②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Vn≤30mV。2.发挥部分(1)在达到基本要求(2)的第①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±5kHz。(2)以电压增益A(200Hz)为基准，

7、频率0~70kHz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①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≤10mV。(4)其他。1.1.3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4.5kHz±0.5kHz。如果所测高频截止频率≥6kHz，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电路可以有效降低输出Vo的高频噪声。此外，还应

8、注意输入电路的屏蔽。4.在图1.1所示开关K切换到接地端的条件下，在T端接入图1.2(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≈7μs；若fH=100kHz，则tr≈3.5μs；tr的定义如图1.2(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

9、入端的引线应尽量短，以避免引入额外干扰。(a)(b)图1.2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。1.2总体设计方案1.2.1设计思路由“模拟模块”的电路图连接实际电路，测试其输出特性，满足要求后，由补偿后的放大倍数为1，可得出在变换到复频域后系统的传递函数为1。因此，可先列出模拟模块的传递函数，进而可求得频率补偿模块的传递函数，便可以由传递函数设计频率补偿模块的电路结构。1.2.2方案论证与比较方案一：RC网络补偿：由”模拟模块“的传递函数，计算可得知补偿模块传递函数，用传递函数构造

10、出由电容和电阻组成的电路。方案二：A/D网络补偿：通过用A/D模块把衰减情况变换成数字量，再用单片机采集模拟模块随频率变化的衰减数据，与目标放大倍数进行分析比较，结合模拟模块放大倍数与频率的关系，得出比较的差值后，用D/A模块变换回模拟量，控制电路对衰减的部分进行补偿，实现衰减多少，补偿多少的设计。方案三：有源补偿：有源补偿主要是使用运算放大器构成运算电路，实现积分和微分等补偿方法电路。由前端电路的传递函数设计频率补偿电路。方案比较选择：综合分析方案一、二、三。方案一设计复杂，误差、功耗较大，较难设计实现；方案二A/D转换引起误差并放大，电路设计成本

11、较高，频率补偿具有滞后性；方案三电路结构简单，电路成本低，补偿实时性好。本设计采用方案三。模拟模块信号发生器/接地1.2.3系统组成运算放大器频率补偿模块微分电路微分电路输出信号图1.3系统总体设计流程图2单元硬件设计2.1“模拟模块”的电路模块设计2.1.1“模拟模块”的电路图2.1模拟模块电路图2.1.2理论计算2.1.3“模拟模块”传递函数幅频特性图2.2模拟模块传递函数MATLAB仿真幅频图和相位图程序：G=tf([-0.-10.2],[5740.56*10^(-12)0.10]);bode(G)根据幅频和相位特性曲线可知，频率在105rad

12、/s时，信号开始衰减，因此设计频率补偿电路，传递函数要设计从105rad/s进行补偿。2.1.4“模拟模块”