频率补偿电路的设计.docx
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频率补偿电路的设计
频率补偿电路的设计
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，频率补偿模块部分采用了高通滤波电路和低通滤波电路前后级相连的方法，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OPA2134，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70kHz时衰减，并有在５0kHz前没有明显波动，经验证，该设计完成了全部基础要求及部分发挥部分。
关键词：
频率补偿；低/高通滤波；噪声均方根；
1.系统设计1
1.1.设计任务1
1.2设计要求1
1.2.1基本要求1
1.2.2发挥部分2
1.2总体设计方案2
1.2.1设计思路2
1.2.2方案论证与选择2
1.2.2.1模拟某传感器特性的电路模块2
1.2.2.2高通滤波电路模块3
1.2.2.3低通滤波电路模块3
1.3系统整体的最终方案3
2.单元电路设计4
2.1硬件电路器件选择与参数选择4
2.1.1模拟某传感器特性的电路4
2.1.2高通滤波电路4
2.1.3低通滤波电路模块5
2.1.4总体电路6
3.系统测试6
3.1测试仪器6
3.2测试数据7
3.2.1模拟模块数据记录：
7
3.2.2频率补偿数据记录：
7
3.2.3输出噪声数据记录：
8
4.测试总结及分析8
参考文献9
附录9
1.系统设计
1.1.设计任务
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
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：
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时的电压增益A（200Hz）=|Vo/Vs|=1±0.05。
②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。
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。
1.2.2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，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。
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
由“模拟模块”电路的电路图连接实际电路，测试其输出特性，满足要求后，由补偿后的放大器的倍数为1可得出变换到复频域后的传递函数为1。
因此可以先列出模拟模块的传递函数，进而可以求出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方案论证与选择
1.2.2.1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4.5kHz±0.5kHz。
1.2.2.2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。
1.2.2.3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，在后面需接上一级100kHz低通滤波电路。
方案一：
采用反相输入二阶低通滤波电路，其特点是使滤波器的过渡带变窄，衰减的斜率值加大。
方案二：
采用反相输入一阶低通滤波电路，其特点是截止频率等于特征频率，曲线斜率衰减斜率较小。
比较上述两种方案，知方案二电路较方案一电路结构简单，且方案二完全可以满足本电路设计的要求，所以选择方案二。
1.3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。
图1总体方框图
2.单元电路设计
2.1硬件电路器件选择与参数选择
2.1.1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。
考虑到其中电阻和电容元件值得大小问题，将模拟模块电路中的电阻Rf1和Rf2减小十倍变为510K
，将C1和C2增大十倍变为47PF，保证了变换前后的时间常数RC不变即可，并不影响整个电路效果。
以输入Vs为200Hz、峰峰值为10V时，“模拟模块”输出Vb和输入Vs仿真图如图3。
图2、模拟模块电路图图3、模拟模块输入输出仿真图
2.1.2高通滤波电路
假设模拟模块电路的传递函数为
，则高通滤波电路模块的传递函数为
=1/
，所以本设计将前级模拟电路的反馈部分与与输入部分颠倒作为高通滤波电路，如图4所示。
由于引脚之间都存在一定的电容，所以在电容C6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4、高通滤波电路图
2.1.3低通滤波电路模块
低通滤波电路采用简单的反相输入一阶低通滤波电路，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，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。
，截止频率公式：
取R6为33K
C3取47Pf，经计算得出f=102.67KHZ，满足100KHZ的要求。
电路图如图5所示，频率特性曲线仿真图如图6所示。
图5、低通滤波电路图
图6、频率特性仿真图
2.1.4总体电路
将上述的模拟某传感器特性的电路模块，高通滤波电路模块，低通滤波电路模块依次连接，最终总电路图如图7所示。
图7、总电路图
3.系统测试
3.1测试仪器
1、函数信号发生器
2、通用双踪示波器
3.2测试数据
3.2.1模拟模块数据记录：
表1模拟模块
频率（kHz）
0.2
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
幅度（v）
10.90
10.40
9.10
9.90
9.60
9.20
8.80
8.30
7.79
7.30
1、Vs为200Hz、峰峰值为10V时，“模拟模块”输出Vb如图8所示10.50V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
图8Vs为200Hz时Vb峰峰值为10.90V图9Vs为5.00kHz时Vb峰峰值为7.30V
3.2.2频率补偿数据记录：
表270kHz
频率（kHz）
0.2
5
15
25
35
50
70
幅度（V）
10.50
11.3
11.2
11.00
10.8
9.7
7.20
7.17
11.3
8.8mv
噪声波动在10mv以内
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所示为70kHz：
图10Vs为200Hz时Vo峰峰值为10.40V
图11Vs为102.0kHz时Vo峰峰值为7.20V
3.2.3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如表2所示小于10mV
4.测试总结及分析
此设计是通过信号与系统及自动控制相关知识设计计算出高通滤波与低通滤波实现频率补偿功能，最终输出增益都能控制在
以内，在规定频段内振幅波动基本也能达到要求，。
在设计过程中我们碰到的最大问题就是截止频率的调试，前期理论计算及电路模拟仿真中最终补偿后的截止频率可以达到100Ｋ，在不断反复调试中发现实际补偿的截止频率要小于理论值，实际截止频率大概比理论值小30k。
作品达到了题目所有基础功能及部分发挥部分的要求，其功能如下：
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4.5kHz±0.5kHz；
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。
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Vn≤10mV；
分析误差原因有以下几种可能：
1、外界因素和电路内部有干扰；2、示波器或信号源显示的误差。
参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础[M]．北京：
高等教育出版社，2006.
[2]王划一，杨西侠.自动控制原理[M]．北京：
国防工业出版社，2009.
附录
元器件清单：
TL084CN一个
电阻若干
电容若干
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