最新頻率補(bǔ)償電路

1、 2014年“TI”杯重慶市電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 頻率補(bǔ)償電路 競(jìng)賽選題： 頻率補(bǔ)償電路 學(xué) 校： 重慶大學(xué)城市科技學(xué)院參賽隊(duì)員： 孫紹丹 徐敏 程莉 摘要 本設(shè)計(jì)制作了一個(gè)頻率補(bǔ)償電路將一個(gè)在高頻部分衰減了的“模擬某傳感器特性的電路模塊”高頻部分補(bǔ)償回來(lái)所有頻率補(bǔ)償部分都采用了模擬電路方案實(shí)現(xiàn)。傳感器特性的電路模塊的模擬根據(jù)要求運(yùn)算放大器A使用TI公司產(chǎn)品高性能音頻運(yùn)算放大器OPA4134、OPA2277能夠做到超低失真,低噪聲音頻應(yīng)用完全指定。整個(gè)補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)了在頻率達(dá)到100kHz時(shí)衰減并有在70kHz前沒(méi)有明顯波動(dòng)關(guān)鍵詞頻率補(bǔ)償?shù)?高通濾波信噪比單片機(jī)顯示 目錄摘要2目錄3一、引言41.1、主

2、要任務(wù)41.2、設(shè)計(jì)要求41.2.1、基本要求41.2.2、發(fā)揮部分51.3、設(shè)計(jì)說(shuō)明5二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證62.1方案論證與選擇62.1.1模擬某傳感器特性的電路模塊62.1.2高通濾波電路模塊62.1.3低通濾波電路模塊62.2系統(tǒng)整體的最終方案6三、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)73.1硬件電路器件選擇與參數(shù)選擇73.1.1模擬某傳感器特性的電路73.1.2高通濾波電路73.1.3 低通濾波電路 圖83.1.3 峰值檢測(cè)電路9四、測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析104.1 測(cè)試儀器104.2 測(cè)試數(shù)據(jù)104.2.1模擬模塊數(shù)據(jù)記錄104.2.2 頻率補(bǔ)償數(shù)據(jù)記錄114.2.3 輸出噪聲數(shù)據(jù)記錄114.2.4

3、單片機(jī)測(cè)試記錄11五、設(shè)計(jì)結(jié)果總結(jié)12六、測(cè)試總結(jié)及改進(jìn)分析13七 參考文獻(xiàn)13一、引言 1.1、主要任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)頻率補(bǔ)償電路，補(bǔ)償“模擬某傳感器特性的電路模塊”（以下簡(jiǎn)稱“模擬模塊”）的高頻特性。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 電路結(jié)構(gòu)圖1 聲音定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.2、設(shè)計(jì)要求1.2.1、基本要求(1) 按圖1所示組裝“模擬模塊”電路，其中正弦波電壓信號(hào)發(fā)生器可使用普通函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。在開(kāi)關(guān)K接Vs的條件下達(dá)到如下要求：Vs為200Hz、峰峰值為10V時(shí)，“模擬模塊”輸出Vb沒(méi)有明顯失真。以200Hz為基準(zhǔn)，Vb的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz ± 0.5 kHz。(2) 設(shè)

4、計(jì)并制作頻率補(bǔ)償電路，使之達(dá)到如下要求：頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1± 0.05。以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，將A(f)=|Vo/Vs|的3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于50kHz。以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，頻率035kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)在±20%以內(nèi)。(3)在達(dá)到基本要求(2)的第、項(xiàng)指標(biāo)后，將開(kāi)關(guān)K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn30 mV。1.2.2、發(fā)揮部分 (1) 在達(dá)到基本要求(2)的第項(xiàng)指標(biāo)后，以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，將A(f)的3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到100kHz ±

5、 5kHz。(2) 以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)，頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)在±10%以內(nèi)。(3) 在達(dá)到基本要求(2)的第項(xiàng)和發(fā)揮部分(1)的指標(biāo)后，將開(kāi)關(guān)K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn 10 mV。(4) 其他。1.3、設(shè)計(jì)說(shuō)明1. 根據(jù)頻帶要求，直流特性和外部元件參數(shù)，自選“模擬模塊”中的運(yùn)算放大器A，該運(yùn)放必須為TI公司產(chǎn)品。2. 要求“模擬模塊”輸出Vb的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz ± 0.5 kHz。如果所測(cè)高頻截止頻率6 kHz，則以后項(xiàng)目將不予評(píng)測(cè)。3. 根據(jù)對(duì)高頻響應(yīng)特性的要求，頻率補(bǔ)償電路中插入適當(dāng)?shù)牡屯V波

6、電路可以有效降低輸出Vo的高頻噪聲。此外，還應(yīng)注意輸入電路的屏蔽。4. 在圖1所示開(kāi)關(guān)K切換到接地端的條件下，在T端接入圖2(a)所示的電路可簡(jiǎn)化系統(tǒng)頻率特性的測(cè)試、調(diào)整過(guò)程。設(shè)定函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出Vt為頻率500Hz、峰峰值5V的三角波電壓，則輸出Vb的波形應(yīng)近似為方波脈沖。如果頻率補(bǔ)償電路的參數(shù)已調(diào)整適當(dāng)，則輸出Vo的方波脈沖會(huì)接近理想形狀。若高頻截止頻率為fH=50kHz，則輸出的方波脈沖上升時(shí)間應(yīng)為tr 7s；若fH=100kHz，則tr 3.5s；tr的定義如圖2(b)所示。應(yīng)用fH·tr 0.35的原理，可將系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性調(diào)整到所要求的指標(biāo)。注意：Ci到運(yùn)放A反相輸入

7、端的引線應(yīng)盡量短，以避免引入額外干擾。圖2 輔助調(diào)試電路及波形定義4. 要求在Vb端和Vo端預(yù)設(shè)測(cè)試點(diǎn)（TP1、TP2），以便于測(cè)試時(shí)連接示波器探頭。 2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 下面就模擬傳感器特性模塊和頻率補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論與分析 2.1方案論證與選擇 2.1.1模擬某傳感器特性的電路模塊 按照題目要求組裝“模擬模塊”電路屬于低通濾波電路截止以200Hz為基準(zhǔn)Vb的?3dB高頻截止頻率為4.5 kHz±0.5 kHz。 2.1.2高通濾波電路模塊 為了使電路以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)將A(f)的?3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到100kHz ± 5kHz設(shè)計(jì)在模

8、擬模塊后面接上一個(gè)高通濾波電路。 方案一使用最簡(jiǎn)單的電子高通濾波器包括一個(gè)與信號(hào)通路串聯(lián)的電容器和與信號(hào)通路并聯(lián)的電阻。這種濾波方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但性能較差受電路阻抗影響較大。 方案二采用有源二階濾波采用元件數(shù)目較少結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)整方便采用TI公司運(yùn)算放大器作為有源器件幾乎沒(méi)有負(fù)載效應(yīng)本設(shè)計(jì)頻率不高故選用方案二。 2.1.3低通濾波電路模塊 為了使通頻帶平緩在到達(dá)截止頻率時(shí)能夠盡快地衰減并有效地降低輸出Vo的高頻噪聲在后面接上了一級(jí)100kHz低通濾波電路。 2.2系統(tǒng)整體的最終方案 綜合考慮各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案頻率補(bǔ)償電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 三、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 3.1硬件電路器件選擇與參數(shù)

9、選擇3.1.1模擬某傳感器特性的電路 按題目要求選擇模擬模塊部分的參數(shù)和電路連接如圖2所示。 3.1.2高通濾波電路 根據(jù)濾波器傳遞頻率函數(shù)表達(dá)的輸出與輸入間的傳遞關(guān)系如果希望補(bǔ)償前級(jí)模塊模擬的低通濾波高頻部分所以本設(shè)計(jì)將前級(jí)低通濾波電路的反饋部分與輸入部分顛倒作為高通濾波電路如圖3所示由于引腳之間都存在一定的電容所以在電容C8旁邊串聯(lián)進(jìn)一個(gè)電阻增加其阻性減小Q值使頻率特性平緩。 圖3高通濾波電路3.1.3 低通濾波電路 圖 低通濾波電路采用通頻帶最平緩的二階巴特沃斯濾波電路通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦沒(méi)有起伏而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波得圖上從某一邊界角頻率開(kāi)始振

10、幅隨著角頻率的增加而逐步減少趨向負(fù)無(wú)窮大。衰減率為每倍頻12分貝截止頻率公式 按照要求截止頻率設(shè)在100kHz電路圖如圖4所示頻率特性曲線仿真如圖5所示。 3.1.3 峰值檢測(cè)電路 峰值檢測(cè)電路的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)電路輸出值會(huì)一直保持直到一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。電路采用FET運(yùn)放提高直流特性減小偏置電流將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用可以有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力電路圖如圖6所示。在峰值檢測(cè)電路后因?yàn)橐敵鼋o單片機(jī)所以使用了TI公司的TL431成比例穩(wěn)壓使輸出不超過(guò)基準(zhǔn)電壓2.5V。 圖6 峰值檢測(cè)電路四、測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)

11、果分析 4.1 測(cè)試儀器 1、YB1732A 3A雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 2、F120型數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 采集 3、SDS1102CFL雙蹤數(shù)字示波器 4、 UT802四位數(shù)字萬(wàn)用表 4.2 測(cè)試數(shù)據(jù) 4.2.1模擬模塊數(shù)據(jù)記錄 1、Vs為200Hz、峰峰值為10V時(shí)“模擬模塊”輸出Vb如圖8所示10.40V沒(méi)有明顯失真 2、以200Hz為基準(zhǔn)Vb的? 3dB高頻截止頻率如圖9所示為5.00kHz 4.2.2 頻率補(bǔ)償數(shù)據(jù)記錄 1、頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|如圖10所示等于1.04 2、以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)Vo在?3dB高頻截止頻率如圖11所示

12、為102.0kHz 3、以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)波動(dòng)如圖12所示在±10%以內(nèi) 4.2.3 輸出噪聲數(shù)據(jù)記錄 將開(kāi)關(guān)K切換到接地端輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn如圖13所示小于10mV 4.2.4 單片機(jī)測(cè)試記錄將Vo輸出給單片機(jī)顯示記錄數(shù)據(jù)如表1所示 頻率 200HZ 10KHZ 50KHZ 70KHZ100KHZ示波器顯示單片機(jī)顯示五、設(shè)計(jì)結(jié)果總結(jié) 作品達(dá)到了題目所有基礎(chǔ)功能及發(fā)揮部分的要求并有拓展 1、“模擬模塊”電路Vs為200Hz、峰峰值為10V時(shí)“模擬模塊”輸出Vb沒(méi)有明顯失真以200Hz為基準(zhǔn)Vb的?3dB高頻截止頻率為4.5

13、kHz±0.5 kHz 2、頻率補(bǔ)償電路頻率為200Hz時(shí)的電壓增益A(200Hz)=|Vo/Vs|=1±0.05以電壓增益A(200Hz)為基準(zhǔn)將A(f)=|Vo/Vs|的?3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于50kHz到100kHz ± 5kHz以電壓增益i(200Hz)為基準(zhǔn)頻率070kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)在±10%以內(nèi) 3、輸出噪聲將開(kāi)關(guān)K切換到接地端輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn10 mV 4、MSP430f5438a單片機(jī)可以顯示輸出峰值及波形。 六、測(cè)試總結(jié)及改進(jìn)分析 由于在焊接和調(diào)試過(guò)程中電容值取得太小非常容易受到外界的干擾問(wèn)題所以使用了可調(diào)電容代替 Vo輸出的信號(hào)經(jīng)峰值檢測(cè)電路為一個(gè)約為5V的高電