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文档简介

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: 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/

2、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。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100kHz5kHz。(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

3、(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。1.1.3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4.5 kHz0.5 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1.1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

4、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1.2(b)所示。应用fHtr 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

5、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

6、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”

7、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105 rad/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105 rad/s进行补偿。2.1.4“模拟模块”传递函数零极点分析图2.3 模拟模块零极点分析MATLAB仿真幅频图和相位图 G=tf(-0. -10.2,5740.56*10(-12) 0. 10); 零点

8、:z = -8.3470e+003;极点:p = 2x1 double;增益:k =-2.1287e+005 图2.4 模拟模块零极点分析MATLAB仿真幅频图和相位图 G=tf(5740.56*10(-12) 0. 10,-0. -10.2); 零点: z = 2x1 double;极点:p =-8.3470e+003; 增益:k =-4.6977e-006 2.2频率补偿电路模块设计2.2.1理论计算 2.2.2频率补偿电路模块传递函数幅频特性图2.5频率补偿电路传递函数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105 rad/s时,信号开始衰减,因此若要在后期设计频率补偿电路,要设计从105 rad/s进行补偿。2.2.3电路模型的建立图2.6 频率补偿电路图此电路由电容Cf1=Cf2=2.35pF,Cf3=Cf4=4.7pF;电阻Rf1=Rf2=2M,Rf3=Rf4=5.1M,Rs=10M及OPA213

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