频率补偿电路

1、频率补偿电路（频率补偿电路（B 题）题）摘要：摘要：本系统以 TI 高性能音频运算放大器 OPA2134 为核心，组成多级模拟信号运算电路，对已知模拟模块的高频特性做补偿。模拟模块的信号输出分为两路处理，一路经过高通滤波器，补偿原电路的高频特性。另一路经过一个一阶RC 低通网路，用来获取原通带特性。然后将低通信号衰减，最后将两路信号做加法线性放大、低通滤波，完成对高频特性的补偿。整个系统采用了高性能运算放大器，系统噪声小，运算电路稳定，失调电压小，波形失真小，较好的完成了设计要求。关键词：关键词：频率补偿，OPA2134，模拟信号运算电路，高性能运算放大器目录一、系统方案设计与论证一、系统方案

2、设计与论证.11.1 频率补偿电路.11.2 总体方案描述.1二、理论分析与计算二、理论分析与计算.22.1“模拟模块”电路分析 .22.2 频率补偿电路.22.2.1 高通滤波器.22.2.2 低通滤波器.32.2.3 衰减电路、加法电路、比例放大电路、低通滤波器.3三、各部分电路设计三、各部分电路设计.43.1 高通滤波.43.2 低通滤波与衰减电路.43.3 加法电路与比例放大电路 .43.4 100KHZ低通滤波电路.5四、系统软件设计四、系统软件设计.5五、测试方案与测试结果五、测试方案与测试结果.65.1 测试仪器 .65.2“模拟模块”电路测试 .65.3 频率补偿测试 .65.

3、4 输出噪声电压测量.7六、参考文献六、参考文献.71一、系统方案设计与论证一、系统方案设计与论证1.11.1 频率补偿电路频率补偿电路方案一：使用 VCA810 组成 AGC(自动增益控制)电路自动稳定输出峰值，使频率补偿模块在一个较宽的频带内输出峰值稳定，然后经过低通滤波器调整通频带宽度。达到补偿高频特性的目的，此种方案补偿相对简单，频率补偿电路输出增益波动较小，但是 AGC 输入电压范围较小，随输入信号变化时需要动态切换衰减网络，电路复杂，实测低频段容易失真，故不采用。方案二：使用 FIR 数字滤波器，由已知电路特性可推得其传递函数，然后计算数字滤波器传递函数，使用 FPGA 或是 DS

4、P 做数字滤波，实现高频补偿，此方法实现复杂，程序的复杂度较高，鉴于时间有限和调试的难度，所以不采用。方案三：使用模拟运算电路和模拟滤波电路对“模拟模块”输出信号进行分段处理，先补偿高频段，然后叠加上低频段，实现设计要求，此方案电路模块较多，但都是线性电路，波形失真小，低频特性好，单元电路简单，故选此方案。 1.21.2 总体方案描述总体方案描述系统框图如图 1 所示，由四部分组成：“模拟模块”电路，频率补偿模块，单片机测频模块，电源模块。输入信号先经过“模拟模块”电路，模拟出传感器特性，然后送给频率补偿模块，频率补偿模块分为两路，一路经过高通，得到一个带通特性，另一路先经过低通滤波器再经过衰

5、减器，使输出信号和高通输出信号匹配，然后将两路信号相加，两路频率特性相互补偿，通频带得到拓宽，然后将信号放大，最后经过 100kHz 的低通滤波器，限制输出的频带宽度。单片机实时显示测试频率。2图 1 系统框图二、理论分析与计算二、理论分析与计算2.12.1“模拟模块模拟模块”电路分析电路分析题目使用“模拟模块”电路实现对传感器的特性的模拟，要求对该模块的高频特性做补偿，根据题目要求我们可以知道，该电路-3dB 截止频率为4.5kHz0.5kHz,带内增益 0dB，由电路形式及参数得到其传递函数为： 22222( )2ffsfsfsRRsCA sR R sCR Rs CR 带入参数：=10M，

6、=5.1M，C=4.7p 使用 MATLAB 计算易得该电路sRfR两极点重合为：-4.1719E4 一个零点为：-8.3438E4 通过 TINA 仿真频率特性，可知低通的过渡带衰减率约为-21dB/十倍频，仿真频率特性如下图所示： 3图 2 “模拟模块”电路频率特性2.22.2 频率补偿电路频率补偿电路 2.2.1 高通滤波器高通滤波器 高通滤波器完成对 4.5kHz100kHz 的频率补偿，我们将高通的截止频率设置为 100kHz，为了得到通带内最大平坦，所以高通电路的形式要与“模拟模块”电路对称，这样在交叉的频带内可获得最大的平坦，就可以实现 070kHz 通带内的增益波动10%。获得

7、高通传递函数：22112221122( )21R sCR R s CA sR sCR R s C 将电路中的电容全取 4.7p，把截止频率设为 100kHz,可计算出结果：=150k，1R=75k.使用 TINA 对高通幅频特性仿真如图 3：2R图 3 高通频率特性2.2.2 低通滤波器低通滤波器 低通滤波器用来补偿低频特性，如图 4 所示，当信号经过高通滤波器之后频率特性在 04kHz 存在衰减，而此衰减率约为-20dB/十倍频。为了得到最大的带内平坦度，低通滤波器应使用 1 阶 RC 低通（衰减率为-20dB/十倍频） ，而由图 4 可知通带最小衰减在-30dB 左右，所以信号通过低通滤波

8、器之后要适当的4衰减。然后和高通滤波器输出相加，获得完整的频带特性。图 4 经过高通后频率特性2.2.3 衰减电路、加法电路、比例放大电路、低通滤波器衰减电路、加法电路、比例放大电路、低通滤波器衰减电路衰减电路：即反向比例衰减，衰减倍率可调节。衰减可调范围至少在 100 倍，因为高通输出信号具有固定衰减，所以此处的衰减需要调节。加法电路加法电路：使用 1：1 反向加法电路，将高通信号和低通衰减之后的信号相加。比例放大电路比例放大电路：使用反向比例放大，放大倍率可调，放大倍率应在 100 倍以上，使用两级放大，第一级使用固定放大，第二级增益可调。低通滤波器低通滤波器：使用两级 2 阶巴特沃斯滤波

9、器级联，2 阶巴特沃斯低通滤波器传递函数为：带内增益=1，截1221211212212211( )1111(1)vvAR R C CA ssAsRCR CR CR R C CvA止频率为 100kHz，根据传递函数可得：=200p，=68p，=7.1K，=27K1C2C1R2R三、各部分电路设计三、各部分电路设计3.13.1 高通滤波高通滤波高通滤波电路，电路形式与“模拟模块”电路形式相同，只是将电阻和电容位置交换，但是输入电容并不是按原来的比例取得，R1=150K，R2=75K，C=4.7p。5图 5 高通滤波器电路3.23.2 低通滤波与衰减电路低通滤波与衰减电路 低通滤波使用的 1 阶

10、RC 滤波，可以得到过渡带-20dB/十倍频的衰减率，配合高通滤波器之后的输出特性，可以补偿低频响应，实现宽范围的频率响应特性。因为高通滤波器输出具有固定衰减，所以低通滤波器也需要做一定量的衰减，调试时使用可变电阻调节，同时低通滤波器截止频率直接影响带内波动，所以此处也使用可变电阻微调，使其在通带内获得最佳平坦度。图 6 低通滤波与衰减电路3.33.3 加法电路与比例放大电路加法电路与比例放大电路 加法电路将通过高通后的信号与通过低通后的信号叠加，实现高频增强，然后经过两级放大，将信号放大到 10V。6图 7 加法电路与比例放大电路3.43.4 100kHz100kHz 低通滤波电路低通滤波电

11、路 100kHz 低通滤波器，用于滤除高频噪声，并实现发挥部分-3dB 高频截止频率在 100kHz5kHz 的要求。图 8 100kHz 低通滤波器四、系统软件设计四、系统软件设计 系统的软件功能实现了频率测试与实时显示，主控制器为 TI 推出的超低功耗单片机 MSP430G2553.通过 TA0 与 TA1 配合实现硬件测频，TA1 产生半秒门宽，激发 TA0 的捕获模块捕获外部时钟的上升沿个数实现测频。软件流程如图 9：开始开启 TA0、TA1等待中断中断开始读取捕获值计算、显示频率清除中断标志结束中断图 9 程序流程图五、测试方案与测试结果五、测试方案与测试结果5.15.1 测试仪器测

12、试仪器序号仪器名称型号指标1双踪示波器GDS-160260MHz 带宽250M Sa/s 采样率72数字合成信号发生器SG1014A1uHz40MHz3数字万用表MS82654 位半5.2“5.2“模拟模块模拟模块”电路测试电路测试 测试方案：函数发生器输出稳定的 10V 信号给“模拟模块”电路。改变函数发生器的输出频率，测量“模拟模块”电路输出信号的峰峰值。 测试结果：输入信号频率 f(kHz)0.20.50.81.11.41.72.02.3输出峰峰值Vpp(V)10.310.010.010.09.849.689.449.20输入信号频率 f(kHz)2.62.93.23.53.84.14.

13、44.7输出峰峰值Vpp(V)9.048.728.408.087.847.607.287.00结果分析：由以上结果可知“模拟模块”电路的-3dB 截止频率为 4.7kHz，符合基本要求中-3dB 截止频率为 4.5kHz0.5kHz 的要求。 5.35.3 频率补偿测试频率补偿测试测试方案：函数发生器输出稳定的 10V 信号给“模拟模块”电路。改变函数发生器的频率，测量频率补偿电路输出信号的峰峰值。测试结果：输入信号频率f(kHz)0.210203040455055输出峰峰值 Vpp(V)10.29.689.9210.09.849.929.849.76输入信号频率f(kHz)6065708090100105110输出峰峰值 Vpp(V)9.689.529.368.728.087.286.806.32结果分析：由测试结果可知，在 200Hz 时输出峰峰值为 10.2V，在 070kHz范围内，峰值波动为 0.84V，增益波动为 8%，达到发挥部分的10%的要求。-3dB 截止频率为 103kHz，达到了发挥部分 100kHz5kHz 要求。85.45.4 输出噪声电压测量输出噪声电压测量测试方案：将输入端与地短接，使用交流耦合测补偿电路输出信号均方根值。测试结果：输出端噪声均方根最大 8.2mV，满足发挥部分10mV