频率补偿电路优选.docx
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频率补偿电路优选
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：
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。
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。
1.1.3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4.5kHz±0.5kHz。
如果所测高频截止频率≥6kHz，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≈7μs；若fH=100kHz，则tr≈3.5μs；tr的定义如图1.2（b）所示。
应用fH·tr≈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。
1.2.3系统组成
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”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（[-0.001222-10.2],[5740.56*10^（-12）0.00071910]）;
bode（G）
根据幅频和相位特性曲线可知，频率在105rad/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105rad/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（[-0.001222-10.2],[5740.56*10^（-12）0.00071910]）;
零点:
z=[-8.3470e+003]；极点：
p=[2x1double]；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）0.00071910],[-0.001222-10.2]）;
零点:
z=[2x1double]；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（[-0.001222-10.2],[5740.56*10^（-12）0.00071910]）;
bode（G）
根据幅频和相位特性曲线可知，频率在105rad/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105rad/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=2MΩ,Rf3=Rf4=5.1MΩ,Rs=10MΩ及OPA2134运算放大器组成。
OPA2134运算放大器是超低失真，低噪声运算放大器。
可以±15V电源供应。
输入级联电路提供良好的共模抑制和保持低输入偏置电流在宽输入电压范围，尽量减少失真。
OPA2134系列运算放大器的增益是稳定提供良好的动态行为的各种各样的负载条件，包括高负载电容。
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