頻率補償電路設(shè)計報告

頻率補償電路（B題）電子科技大學(xué)余波何劍鋒郝昊奇摘要：本系統(tǒng)充分應(yīng)用TI的高精度低噪放大器OPA2227,設(shè)計了噪聲抑制比較好的頻率補償電路。本系統(tǒng)實現(xiàn)了題目要求的所有基本要求和發(fā)揮要求，并且頻率在0到85KHz電壓波動小于10%；系統(tǒng)所有濾波器均采用壓控反饋形式,有效的防止了系統(tǒng)自激振蕩而又可以適當(dāng)?shù)脑龃箅妷悍糯蟊稊?shù)；自制直流穩(wěn)壓電源及基于MSP430的液晶顯示模塊，可顯示輸關(guān)鍵詞：頻率補償,壓控反饋,低噪聲Abstract：ThissystemmakesapplicationtoTI'shigh-precisionlow-noiseamplifier,OPA2227,andnoisesuppressionbetterfrequencycompensationcircuit.Thissystemsubjecttotherequirementsofallthebasicrequirementsandplayrequirements,andvoltagefluctuationsfrom0to85KHzlessthan10%;system,allfiltersareusedtovoltage-controlledfeedbackintheformofpreventingtheself-excitedoscillationsystemandappropriateincreasethevoltageamplificationfactor;homemadeDCpowersupplyandMSP430-basedliquidcrystaldisplaymodulecandisplaythefrequencyoftheinputsignal.Keywords:frequencycompensation,voltage-controlledfeedback,low-noise一．方案設(shè)計與論證經(jīng)過仔細的分析與激烈的論證，我們認(rèn)為頻率補償即擴寬頻帶如下：題目模擬模塊部分傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)（4.5KHz低通濾波器），我們要擴寬頻帶，就必須再后面加一個一階微分環(huán)節(jié),使4.5KHz到100KHz信號頻帶變水平；后加一個慣性環(huán)節(jié),使100KHz以后的信號呈現(xiàn)衰減，而這三個環(huán)節(jié)的頻域合成則是通過求和放大器實現(xiàn)。綜上所述，電路可分為截止頻率100KHz的高通濾波器，可控增益放大，求和放大器，截止頻率100KHz的低通濾波器，單片機最小系統(tǒng)，直流穩(wěn)壓電源這幾個模塊。系統(tǒng)主要框圖如下：圖1：總體系統(tǒng)框圖高通濾波器的論證與選擇方案一：用RC無源濾波器。RC無源濾波器電路簡單，參數(shù)計算也比較簡單；但其增益有一定衰減，對于100KHz截止頻率的濾波不大合適。方案二：LC無源濾波器。對于100KHz左右的頻率用LC濾波器及RC濾波器都沒有太大差別，但是LC濾波器要求很好的阻抗匹配，而且理想情況下輸出信號衰減一半。對于前級輸出電阻比較大的或輸出電阻不確定的電路就不適合用LC無源濾波器。方案三：RC有源濾波器。對于要求信號在通頻帶內(nèi)要平坦的電路，用RC有源濾波器是最好的選擇，因為其可控增益，可引入電壓反饋，進一步保持了通頻帶內(nèi)信號的平坦。方案選擇：經(jīng)過以上充分考慮，我們選擇方案三——RC濾波器，來設(shè)計略高于100KHz的高通濾波器。可控增益放大方案一：由于處理的信號頻率較低，選用上兆帶寬運放的單級放大電路即可對信號有很大的增益，選用低噪運放OPA2227做單級放大電路，且參數(shù)設(shè)計時將電阻的值取小，可以有效提高放大電路的信噪比，且不容易產(chǎn)生自激。但是對運放的壓擺率有一定的要求，0PA2227的壓擺率為2.3V/us，理論上剛好滿足本電路的要求。方案二：選用低噪運放OPA2227做兩級級聯(lián)放大電路，通過降低每級放大電路的增益，可以防止壓擺率不夠而使信號失真，但是兩級放大電路大大降低了信噪比，且容易產(chǎn)生自激。方案選擇：考慮到本題對信噪比的要求較高，我們選擇方案一，采用OPA2227做單級放大電路。求和放大器由總體方案可知，高通濾波器對電路的高頻特性能有效地補償，但是高通濾波器大大衰減了低頻信號，且完全隔絕了直流信號，而原信號Vb的低頻特性很好，所以我們用求和放大器對補償電路和原信號進行頻域合成，可以使系統(tǒng)的頻域特性滿足要求。為了提高系統(tǒng)信噪比，我們采用反相求和電路且將電阻的參數(shù)取小。低通濾波器加于電路末級的截止頻率為100KHz的低通濾波器主要作用有二：一是確定整個系統(tǒng)的截止頻率為lOOKHz,從而滿足題目要求；二是進一步濾除電路噪聲,從而避免信號失真或自激。通過1.1的論證，本設(shè)計選擇RC有源濾波器為佳。單片機最小系統(tǒng)（“其他”部分）本部分是題目“發(fā)揮部分”中“其他”部分,即測量輸入信號、在5OOHz到lOOKHz范圍內(nèi)顯示信號頻率,顯示頻率相對誤差不大于l%。直流穩(wěn)壓電源（“其他”部分）本部分是題目“發(fā)揮部分”中“其他”部分,它是整個系統(tǒng)的供能模塊。本設(shè)計通過變壓器將22OV交流電變?yōu)閘2V交流電,再通過整流橋,79l2、78l2、79O5、78O5四塊穩(wěn)壓芯片,其中伴隨一系列整流濾波電路；最后得到穩(wěn)定的正負(fù)l2V、5V直流電源。二．理論分析與計算系統(tǒng)傳遞函數(shù)及系統(tǒng)零極點因為系統(tǒng)頻率補償前后都是一個慣性環(huán)節(jié),只是其開環(huán)極點不同而已。其中，由開環(huán)極點=2二匸=4.5KHz）推出頻率補償前系統(tǒng)傳遞函數(shù)：6.247X105=二U率補償后「lOOKHz，系統(tǒng)傳遞函數(shù)：「 ?:二:。頻率補償前系統(tǒng)幅頻特性圖：

圖2：截止頻率4.5KHz波特圖頻率補償后系統(tǒng)幅頻特性圖：回llcraiCopylLimits1回llcraiCopylLimits1Texl|Freeze|Exit|pMag[7Phase廠GrpDelay”dBPDegIfiContinuousFrequencyResponsenMagnitude(dB)-2.5-20-5-40-7.5-60-1Q\Phase(Deg)-SO\f-12.5\-1OT-15\-120-17.5-1407ri\234567892 3456789 23456789-IOU1K10K100K1M1stOrderLowPassButterworthFrequency(Hz)MonAug0615:542012■ContinuousFrequencyResponse圖3：截止頻率100KHz波特圖2.2濾波電路分析本系統(tǒng)中各低通、高通濾波器均根據(jù)濾波器設(shè)計軟件Filtersolution10設(shè)計而成；因為系統(tǒng)要求信號在通頻帶內(nèi)盡量平坦，所以各濾波器均采用通帶內(nèi)最平坦的Butterworth濾波器，而根據(jù)我們觀察：在濾波器階數(shù)小于4時，Butterworth濾波器在通帶外的衰減速率比其他幾種濾波器的都要快（有陷波點的除外），而此次設(shè)計的濾波器都是4階以下，所以都采用了Butterworth濾波器。2.3可控增益放大器分析放大器的信噪比要求較高，同相放大器的共模噪聲較大，不適合此電路，電阻不能選的過大。所以我們選用單級反相放大器，且在正負(fù)電源處用O.luF電容做褪耦，可以有效濾除噪聲。2.4求和放大器分析選用反相求和電路，將電阻的參數(shù)取小，正負(fù)電源處嚴(yán)格地用0.1uF電容褪耦。2.5低噪聲設(shè)計分析對于噪聲抑制，我們采取了以下措施：首先，用粗地線將頻率補償電路包圍，可以減小外界噪聲對信號線的干擾；其次，在電源線的旁邊平行的走一條地線，可以有效吸收電源線的噪聲；最后，每個模塊電路都要嚴(yán)格地做褪耦處理。單片機最小系統(tǒng)分析本次設(shè)計采用MSP430單片機最小系統(tǒng)，通過采樣輸入信號，進而顯示信號頻率。直流穩(wěn)壓電源分析作為一個合格的直流穩(wěn)壓電源，其輸出直流電壓應(yīng)做到紋波小、帶負(fù)載能力強、電流輸出足夠大等，而本設(shè)計采用電橋整流，用到可靠性比較高的79/78系列穩(wěn)壓芯片，而外圍電路加上了許多合理的濾波電容，更有整流二極管等做保護，參考了網(wǎng)上比較好的電路排版模塊，是比較好的直流源。三．電路與程序設(shè)計高通濾波器設(shè)計截止頻率為100KHz高通濾波器可以使原系統(tǒng)4.5KHz到100KH衰減頻帶變得平滑，但是系統(tǒng)測試得到的信號整體被衰減了很多，所以要經(jīng)過下面的可控增益放大器進行放大。由于前級模擬模塊的濾波為1階，為了匹配前級，這里的高通濾波器也設(shè)計為1階，設(shè)計過程通過濾波器設(shè)計軟件Filtersolution完成，再經(jīng)過修改參數(shù)使其與實際元件相符。最后結(jié)果如下：圖4:”[=100KHz可控增益放大器設(shè)計OPA2227的帶寬為8MHz，理論上100k的正弦信號可以放大80倍，但是實際要比80倍小，我們實測得此電路對100k的正弦信號的最高增益為60倍，且

壓擺率剛好滿足要求，在輸出信號為10V峰峰值時信號沒有失真。圖5：可調(diào)增益放大器3.3求和放大器設(shè)計通過求和放大器對兩個頻域的信號進行合成。調(diào)試可使信號在0-70KHz以200Hz為基準(zhǔn)時波動在10%以內(nèi)。3.4低通濾波器設(shè)計此處的低通濾波器截止頻率為100KHZ，作為整個系統(tǒng)的最后輸出級。作用是為了讓補償后的系統(tǒng)截止頻率為100KHz及濾除系統(tǒng)噪聲。濾波器通過軟件圖7：_=100KHz3.5單片機最小系統(tǒng)MSP430單片機最小系統(tǒng)測量信號后通過液晶顯示信號頻率大小。四．系統(tǒng)測試我們是直接按照題目發(fā)揮部分測試的，測試結(jié)果表明：200Hz的輸入信號在Vb處沒有明顯失真;Vb及Vo的截止頻率分別是4.3KHz和102KHz；在0到85KHz通頻帶內(nèi)Vo起伏不超過10%（以電壓增益A（200Hz）為基準(zhǔn)）；系統(tǒng)噪聲均方根小于4.57mV.具體測試如下：測試條件（1）100M數(shù)字存儲示波器：型號TektronixTDS1012B； （2）四位半萬用表：型號FLUKE45； （3）函數(shù)信號發(fā)生器：F40型數(shù)字函數(shù)發(fā)生器測試過程4.2.1測試Vs=200Hz時，Vb是否有明顯失真測試結(jié)果：沒有明顯失真,滿足題目要求。4.2.2Vs=200Hz時，Vpp=10V，測量Vb:01101001K2K3K4K4.3Kvb/v10.2010.1010.2010.2010.109.448.457.287.07測試結(jié)果：由上表可以看出，Vb截止頻率在4.3KHz，滿足題目要求。4.2.3Vs=200Hz時，電壓增益A(200Hz)=|V/Vos測試結(jié)果：A(200Hz)=10.1V/10.3V=0.98.4.2.4Vs=200Hz時，Vpp=10V，測量Vo:VofVVsfVA①Vo/VVs/V010.410.11.034010.110.110.O110.410.60.985010.310.11.020.210.110.30.986010.410.01.04110.110.60.957010.310.11.0229.289.920.967510.010.10.9939.6810.10.96809.7610.20.964.510.110.60.95879.0010.000.91010.610.21.041007.5210.00O.75209.7610.20.96103.57.0710.000.71309.8410.10.971056.9610.000.70測試結(jié)果：①由上表看出，頻率0?87kHz范圍內(nèi)的電壓增益Af）的波動在±10%以內(nèi)，超過了題目發(fā)揮部分0~70kHz的范圍，為本設(shè)計“發(fā)揮部分”中的“其他”部分。②系統(tǒng)截止頻率擴展到103.5KHZ，達到題目發(fā)揮部分要求。4.2.5輸入接地后，Vo的均方根值。測試結(jié)果：Vo<4.57mV，滿足題目發(fā)揮部分要求。4.2.6單片機最小系統(tǒng)顯示頻率誤差5001K5K10K20K30K40K50K55K100K切/H忑5001K5K10K20K30.075K40K50K55.17K100.5K測試弋結(jié)果：本部分是題目“發(fā)揮部分”中的“其他2”的測量，由上表看出，大致在500Hz到100KHz頻率范圍內(nèi)單片機測量的頻率是比較準(zhǔn)的，偶爾的波動也沒有超過1%五．總結(jié)整個系統(tǒng)主要基于信號系統(tǒng)中的頻域分析方法，運用了傳遞函數(shù)、零極點之間的關(guān)系，從而使得電路總體