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文档简介

PAGEPAGEI频率补偿电路〔B题〕【本科组】20PAGEII摘要系统以高通滤波器为核心,制作完成频率补偿电路。补偿网络由高通滤波器、带阻滤波器、运算放大器、低通滤波器组成。通过计算出有源滤波电路参数,设计出各电路模块,并利用自制稳压电源为系统供电。通过调试电路,最终实现了对模拟模块的高频补偿,测试说明各项指标都符合设计任务要求。关键词:频率补偿高通滤波器带阻滤波器传输函数目录1系统方案11.1模拟模块运放型号选择11.2频率补偿电路的论证与选择11.3供电方式的论证与选择22系统理论分析与计算32.1模拟模块局部传递函数计算及零点、极点分析32.2频率补偿各局部电路的分析42.2.1高通滤波器局部42.2.2带阻滤波器局部42.2.3运算放大电路局部42.2.4.放大器稳定性分析及通频带增益起伏控制4.线性相位分析52.2.6.直流零点漂移分析53电路设计5系统总体框图53.1.2高通滤波器子系统电路原理图53.1.3低通滤波器子系统电路原理图53.1.4直流稳压电源的设计64测试方案与测试结果64.1测试条件64.2测试条件与仪器64.3测试方案64.3测试结果及分析6测试结果(数据)6测试分析与结论75.参考文献7附录1:电路原理图9附录2:器件清单表10PAGEPAGE8频率补偿电路〔B题〕【本科组】1系统方案1.1模拟模块运放型号选择根据题目要求,需要根据频带要求,直流特性和外部元件参数从TI公司的产品中自定义选择运算放大器A的型号。方案一:OPA2134PA音频运算放大器,最低噪声8nV/√Hz,通频带宽8MHz,输入电源范围±2.5V-±18V,输入偏置电流最大值100pA,输入失调电压最大值2mV;方案二:OPA2227P高精度低噪声运算放大器,双通道运放,最低噪声8nV/√Hz,通频带宽8MHz,输入电源范围±2.5V-±18V,输入偏置电流最大值10nA,输入失调电压最大值75uV;方案三:OPA227P高精度低噪声运算放大器,单通道运放,最低噪声8nV/√Hz,通频带宽8MHz,输入电源范围±2.5V-±18V,输入偏置电流最大值10nA,输入失调电压最大值75uV。方案论证:综合考虑频带要求,直流特性和外部元件参数,尽量减小放大器本身噪声造成的干扰,采取低噪运放;为了方便进行调试,采取方案三即OPA227P作为模拟模块的运算放大器。1.2频率补偿电路的论证与选择方案一:高通滤波器〔HPF〕、运算放大网络〔AMP〕、低通滤波器〔LPF〕三级级联构成频率补偿网络。计算出模拟模块的传输函数H1〔s〕,推算出系统增益为常量时的频率补偿网络的传输函数H2〔s〕,根据H2〔s〕的特性求算出频率补偿网络的电路结构。由于模拟模块局部等效于一个低通滤波器,初步推测出频率补偿网络局部主要是高通滤波器,信号经模拟模块局部可变为幅度变化较小的信号,然后对其进行放大提高幅度,再通过截止频率50KHz以上的低通滤波器,便可以输出符合题干要求的信号,实现频率补偿。方案一的系统框图如图1所示。图1方案一系统框图方案二:低通滤波器、程控运放AD603、低通滤波器、峰值检测电路构成频率补偿网络信号经过模拟模块局部之后的幅频特性为低通,输入频率接近截止频率时,由于示波器都带有固定增益,经过放大可能产生较大的纹波抖动。采用程控放大器AD603对幅度进行平稳调整,模拟模块信号输出经过峰值检测电路作为AD603的输入信号,经过模拟模块的信号先通过低通滤波器进行去噪处理,再接入AD603的电压控制端。AD603可控增益放大器放大特性与输入控制电压具有很好的线性度,可以对控制电压的线性调节来实现增益的线性控制,将输出信号控制在AD603的最大输出3V附近,波动维持在较小的范围内,AD603的输出最大电压±3V,不能到达输出电压有效值10V的要求,故而须再经一低通滤波器将−3dB高频截止频率扩展到大于50kHz。峰值检测电路的作用是将模拟模块局部输出的交流信号变为直流信号作为AD603的信号输入。图2方案二系统框图方案论证:从理论上分析,方案2可以使输出幅度纹波系数比较小,信号更加稳定,可以更好实现频率补偿。但是AD603容易自激振荡,要求输入的控制电压信号十分稳定,且对信号是对以分贝单位信号进行程控,即需要在电路中参加对数电路和反对数电路。即虽然方案2理论上更优越,但是实际电路会比较复杂。综合以上两种方案,选择方案一,即高通滤波器、运算放大网络、低通滤波器三级级联构成频率补偿网络。1.3供电方式的论证与选择方案一:实验室直流电源供电。方案二:自制线性稳压电源方案论证:实验室电源不便于搬动,为了方便为运放提供稳定的±12V供电电源,我们基于7805和7905自制±12V供电电源。2系统理论分析与计算2.1模拟模块局部传递函数计算及零点、极点分析图3模拟模块电路模拟模块的传输函数求解过程如下:检测T处为虚地,故而电平为零设s=wj,那么有模拟模块局部的传输函数H1(S).根据根本要求〔2〕①中条件,模拟模块与频率补偿模块的传输函数乘积须为1故频率补偿局部的传输函数很显然,频率补偿局部电路运放的外接元件在运放反相端左右两局部相当于对调,是一个高通滤波器,H2〔S〕的零点是方程的根,极点是0和。外接元件位于反相端左侧极点局部在低频下,两个电容相当于断路,高频下电容相当于短路,与合在一起组成比例放大电路,增益分别为低频下的和高频下的1。2.2频率补偿各局部电路的分析2.2.1高通滤波器局部由2.1的初步分析可知,频率补偿局部的主体是高通滤波器〔HPF〕,参考教材设计出二阶高通巴特沃兹滤波器对模拟模块局部输出信号进行滤波。当信号通过HPF之后,理论上信号的幅频特性会变得比较稳定。但是实际上由于通带边缘并不十分陡峭,滤波器电路本身又有一定的增益,所以需要通过仿真与搭建电路进行进一步分析。为了减小噪声,采用低噪运放搭建有源滤波电路。2.2.2带阻滤波器局部经过仿真发现,信号经过HPF之后,呈现出带阻的频率特性,为了使输出信号更加平缓,在HPF之后接一个带阻滤波器〔BRF〕,将HPF输出信号经进行一步整形,使输出更加平缓。参考教材设计出双T带阻滤波器网络,进行整形。为了减小噪声,采用低噪运放搭建有源滤波电路。2.2.3运算放大电路局部经过前面几个模块,输出波形是较为平缓的幅值较小的信号,需要对其进行放大。用低噪声运算放大器对信号进行放大,得到较为平缓的幅值较大的信号。.放大器稳定性分析及通频带增益起伏控制放大器稳定性与通频带增益起伏主要取决与芯片本身性能、电源稳定性及PCB布局,芯片性能与自身工艺、工作温度、电源稳定性等有关。通过精选芯片,限制各级放大器的单级放大倍数.,尽量选用低噪声芯片,保证其性能和稳定性。电源输出噪声会对系统的输入信号产生干扰,造成信号失真,为了尽量减小噪声,我们在自制的线性稳压电源输出端参加滤波电容,对电源噪声滤波处理。.线性相位分析各放大器模块直接耦合,模块间理论上不存在延时,存在延时的只有放大器芯片本身。为了分析系统的相位线性,我们使用仿真软件multisim对其进行仿真,发现系统的延迟时间固定,大小为纳秒级,信号相移与频率成正比,低频相移几乎为零,系统的相频特性线性度良好。.直流零点漂移分析主要误差因素有:输入失调电压,输入失调电压温漂、,输入偏置电流,输入失调电流,输入失调电流温漂等。产生零点漂移的原因很多,如电源电压不稳、元器件参数变值、环境温度变化等。其中最主要的因素是温度的变化。预制零点漂移的措施,我们采用精选元件、对元件进行老化处理、选用高稳定度电源等措施,在集成电路内部本身便有补偿,尽量减小直流零点漂移。3电路设计3.1.1系统总体框图本系统主要由模拟电路模块、高通滤波器模块、低通滤波器模块、运算放大模块、电源模块等组成,系统总体框图如图1所示。图4系统框图3.1.2高通滤波器子系统电路原理图二阶有源高通滤波器子系统电路原理图如图5所示图5HPF子系统原理图3.1.3低通滤波器子系统电路原理图二阶有源低通滤波器子系统电路原理图如图6所示图6LPF子系统原理图3.1.4根据系统电源要求,我们需要制作输出为±12V的稳压电源。为了尽量减小电源信号的纹波,我们采用两次滤波方案,即市电经过变压器变压之后,经过全波整流、电容滤波,将交流转换为直流以及稳压之后,又设置滤波电容。在稳压局部,我们采用的是7805\7905。这局部电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。4测试方案与测试结果4.1测试条件室温25°C,220V交流电源;4.2测试条件与仪器示波器:DSO-X2012A100MHz2GSa/s。信号源:TFG6040DDS函数信号发生器。4.3测试方案1〕断开模拟模块与后面模块的连接,输入200Hz、峰峰值为10V的信号,用示波器观察记录模拟模块输出信号;逐渐增加输入信号的频率,观察记录以200Hz为基准,Vb的−3dB高频截止频率。2〕将模拟模块与后面模块连接,输入200Hz、峰峰值为10V的信号,用示波器观察记录输出信号;逐步提高输入频率,观察A(f)=|Vo/Vs|的−3dB高频截止频率能否扩展到大于50kHz以及频率0~35kHz范围内的电压增益A(f)的波动是否在±20%以内。3〕将开关K切换到接地端,观察输出Vo的噪声均方根电压是否满足Vn≤30mV。4.3测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)模拟模块输入频率〔Hz〕2005008001500200025003000350040004500输入峰峰值〔V〕10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V输出峰峰值〔V〕10.4V10.4V10.2V10.0V9.7V9.2V8.9V8.4V8.0V7.5V增益误差〔%,较之Hz〕0.1%0.1%0.1%0.1%0.1%0.1%0.1%0.2%0.2%0.3%HPF,500HZ的高通输入频率〔Hz〕10020040060080010001500200030005000输入峰峰值〔V〕10.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.000输出峰峰值〔V〕0.61.473.725.596.837.68.69.09.39.5增益误差〔%,较之Hz〕0.3%0.4%0.2%0.3%0.2%0.1%0.1%0.1%0.05%0.005%带阻,以10k为中心,想要将高通和低通都通过的频率进行缩小,将所有的波形峰峰值修正在一个近似的范围输入频率〔Hz〕100500100012001500250013K(拐点)20K30K180K〔接近失真点〕输入峰峰值〔V〕10.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.000010.00010.000输出峰峰值〔V〕10.09.07.26.45.63.70.1310.71.54.8增益误差〔%,较之Hz〕0.1%0.1%0.05%0.1%0.05%0.1%0.3%0.2%0.2%0.1%低通50KHZ,到达题目的截止要求,因为35KHZ时峰峰值有点小,实际上根据理论计算的80KHZ截止搭出电路。输入频率〔Hz〕2001000500020000350005000055000600006500080000输入峰峰值〔V〕10.00010.00010.

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