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2014年“TI”杯重庆市电子设计竞赛 频率补偿电路 竞赛选题： 频率补偿电路 学 校： 重庆大学城市科技学院参赛队员： 孙绍丹 徐敏 程莉 摘要 本设计制作了一个频率补偿电路将一个在高频部分衰减了的“模拟某传感器特性的电路模块”高频部分补偿回来所有频率补偿部分都采用了模拟电路方案实现传感器特性的电路模块的模拟根据要求运算放大器A使用TI公司产品高性能音频运算放大器OPA4134、OPA2277能够做到超低失真,低噪声音频应用完全指定整个补偿模块实现了在频率达到100kHz时衰减并有在70kHz前没有明显波动关键词频率补偿低/高通滤波信噪比单片机显示 目录摘要 2目录 3一、引言 41.1、主要任务 41.2、设计要求 41.2.1、基本要求 41.2.2、发挥部分 51.3、设计说明 5二、 系统设计方案论证 62.1方案论证与选择 62.1.1模拟某传感器特性的电路模块 62.1.2高通滤波电路模块 62.1.3低通滤波电路模块 62.2系统整体的最终方案 6三、系统软硬件设计和实现 73.1硬件电路器件选择与参数选择 73.1.1模拟某传感器特性的电路 73.1.2高通滤波电路 73.1.3 低通滤波电路 图 83.1.3 峰值检测电路 9四、测试数据与结果分析 104.1 测试仪器 104.2 测试数据 104.2.1模拟模块数据记录 104.2.2 频率补偿数据记录 114.2.3 输出噪声数据记录 114.2.4 单片机测试记录 11五、设计结果总结 12六、测试总结及改进分析 13七 参考文献 13一、引言 1.1、主要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所示图1 电路结构图1 声音定位系统结构示意图1.2、设计要求1.2.1、基本要求(1) 按图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4.5 kHz ± 0.5 kHz2) 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± 0.05②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50kHz③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≤30 mV1.2.2、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 ± 5kHz2) 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 ≤10 mV4) 其他1.3、设计说明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 kHz ± 0.5 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所示开关K切换到接地端的条件下，在T端接入图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图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 2、 系统设计方案论证 下面就模拟传感器特性模块和频率补偿等关键模块的设计方案进行讨论与分析 2.1方案论证与选择 2.1.1模拟某传感器特性的电路模块 按照题目要求组装“模拟模块”电路属于低通滤波电路截止以200Hz为基准Vb的?3dB高频截止频率为4.5 kHz±0.5 kHz 2.1.2高通滤波电路模块 为了使电路以电压增益A(200Hz)为基准将A(f)的?3dB高频截止频率扩展到100kHz ± 5kHz设计在模拟模块后面接上一个高通滤波电路 方案一使用最简单的电子高通滤波器包括一个与信号通路串联的电容器和与信号通路并联的电阻这种滤波方式结构简单但性能较差受电路阻抗影响较大 方案二采用有源二阶滤波采用元件数目较少结构简单调整方便采用TI公司运算放大器作为有源器件几乎没有负载效应本设计频率不高故选用方案二 2.1.3低通滤波电路模块 为了使通频带平缓在到达截止频率时能够尽快地衰减并有效地降低输出Vo的高频噪声在后面接上了一级100kHz低通滤波电路。

2.2系统整体的最终方案 综合考虑各个模块的设计方案频率补偿电路的系统结构框图如图1所示 三、系统软硬件设计和实现 3.1硬件电路器件选择与参数选择3.1.1模拟某传感器特性的电路 按题目要求选择模拟模块部分的参数和电路连接如图2所示 3.1.2高通滤波电路 根据滤波器传递频率函数表达的输出与输入间的传递关系如果希望补偿前级模块模拟的低通滤波高频部分所以本设计将前级低通滤波电路的反馈部分与输入部分颠倒作为高通滤波电路如图3所示由于引脚之间都存在一定的电容所以在电容C8旁边串联进一个电阻增加其阻性减小Q值使频率特性平缓 图3高通滤波电路3.1.3 低通滤波电路 图 低通滤波电路采用通频带最平缓的二阶巴特沃斯滤波电路通频带内的频率响应曲线最大限度平坦没有起伏而在阻频带则逐渐下降为零在振幅的对数对角频率的波得图上从某一边界角频率开始振幅随着角频率的增加而逐步减少趋向负无穷大衰减率为每倍频12分贝截止频率公式 按照要求截止频率设在100kHz电路图如图4所示频率特性曲线仿真如图5所示。

3.1.3 峰值检测电路 峰值检测电路的作用是对输入信号的峰值进行提取产生输出Vo = Vpeak为了实现这样的目标电路输出值会一直保持直到一个新的更大的峰值出现或电路复位电路采用FET运放提高直流特性减小偏置电流将场效应管当二极管用可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力电路图如图6所示在峰值检测电路后因为要输出给单片机所以使用了TI公司的TL431成比例稳压使输出不超过基准电压2.5V 图6 峰值检测电路四、测试数据与结果分析 4.1 测试仪器 1、YB1732A 3A双路跟踪稳压稳流电源 2、F120型数字合成函数信号发生器 采集 3、SDS1102CFL双踪数字示波器 4、 UT802四位数字万用表 4.2 测试数据 4.2.1模拟模块数据记录 1、Vs为200Hz、峰峰值为10V时“模拟模块”输出Vb如图8所示10.40V没有明显失真 2、以200Hz为基准Vb的? 3dB高频截止频率如图9所示为5.00kHz 4.2.2 频率补偿数据记录 1、频率为200Hz时的电压增益A(200Hz)=|Vo/Vs|如图10所示等于1.04 2、以电压增益A(200Hz)为基准Vo在?3dB高频截止频率如图11所示为102.0kHz 3、以电压增益A(200Hz)为基准0~70kHz范围内的电压增益A(f)波动如图12所示在±10%以内 4.2.3 输出噪声数据记录 将开关K切换到接地端输出Vo的噪声均方根电压Vn如图13所示小于10mV 4.2.4 单片机测试记录将Vo输出给单片机显示记录数据如表1所示 频率 200HZ 10KHZ 50KHZ 70KHZ100KHZ示波器显示单片机显示五、设计结果总结 作品达到了题目所有基础功能及发挥部分的要求并有拓展 1、“模拟模块”电路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、频率补偿电路频率为200Hz时的电压增益A(200Hz)=|Vo/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到100kHz ± 5kHz以电压增益i(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、输出噪声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、MSP430f5438a单片机可以显示输出峰值及波形。

六、测试总结及改进分析 由于在焊接和调试过程中电容值取得太小非常容易受到外界的干扰问题所以使用了可调电容代替 Vo输出的信号经峰值检测电路为一个约为5V的高电平信号经TL431稳压后给单片机的信号总是小于2.5V所以在单片机程序里对输入信号进行了成比例修正放大 七 参考文献 [1] 黄争.德州仪器高性能模拟器件在高校中的应用及选型指南V2.0[M/OL]2010. [2] 康华光.模拟电子技术基础[M]北京高等教育出版社2006. [3] 李希文赵建李智奇白小平.传感器与信号调理技术[M]西安西安电子科技大学出版社2008. [4] 王划一杨西侠.自动控制原理[M]北京国防工业出版社2009. 。