PAGEPAGEI頻率補(bǔ)償電路（B題）【本科組】20PAGEI摘要系統(tǒng)以高通濾波器為核心，制作完成頻率補(bǔ)償電路。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由高通濾波器、帶阻濾波器、運(yùn)算放大器、低通濾波器組成。通過(guò)計(jì)算出有源濾波電路參數(shù)，設(shè)計(jì)出各電路模塊，并利用自制穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電。通過(guò)調(diào)試電路，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬模塊的高頻補(bǔ)償，測(cè)試表明各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求。關(guān)鍵詞：頻率補(bǔ)償高通濾波器帶阻濾波器傳輸函數(shù)PAGEPAGE1信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬模塊部分之后的幅頻特性為低通，輸入頻率接近截止頻率時(shí)，由于示波器都帶有固定增益，經(jīng)過(guò)放大可能產(chǎn)生較大的紋波抖動(dòng)。采用程控放大器AD603對(duì)幅度進(jìn)行平穩(wěn)調(diào)整，模擬模塊信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)峰值檢測(cè)電路作為AD603的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬模塊的信號(hào)先通過(guò)低通濾波器進(jìn)行去噪處理，再接入AD603的電壓控制端。AD603可控增益放大器放大特性與輸入控制電壓具有很好的線性度，可以對(duì)控制電壓的線性調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)增益的線性控制，將輸出信號(hào)控制在AD603的最大輸出3V附近，波動(dòng)維持在較小的范圍內(nèi)，AD603的輸出最大電壓±3V，不能達(dá)到輸出電壓有效值10V的要求，故而須再經(jīng)一低通濾波器將?3dB高頻截止頻率擴(kuò)展到大于50kHz。峰值檢測(cè)電路的作用是將模擬模塊部分輸出的交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)作為AD603的信號(hào)輸入。圖2方案二系統(tǒng)框圖方案論證：從理論上分析，方案2可以使輸出幅度紋波系數(shù)比較小，信號(hào)更加穩(wěn)定，可以更好實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。但是AD603容易自激振蕩，要求輸入的控制電壓信號(hào)十分穩(wěn)定，且對(duì)信號(hào)是對(duì)以分貝單位信號(hào)進(jìn)行程控，即需要在電路中加入對(duì)數(shù)電路和反對(duì)數(shù)電路。即雖然方案2理論上更優(yōu)越，但是實(shí)際電路會(huì)比較復(fù)雜。綜合以上兩種方案，選擇方案一，即高通濾波器、運(yùn)算放大網(wǎng)絡(luò)、低通濾波器三級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。1.3供電方式的論證與選擇方案一：實(shí)驗(yàn)室直流電源供電。方案二：自制線性穩(wěn)壓電源方案論證：實(shí)驗(yàn)室電源不便于搬動(dòng)，為了方便為運(yùn)放提供穩(wěn)定的±12V供電電源，我們基于7805和7905自制±12V供電電源。2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1模擬模塊部分傳遞函數(shù)計(jì)算及零點(diǎn)、極點(diǎn)分析圖3模擬模塊電路模擬模塊的傳輸函數(shù)求解過(guò)程如下：檢測(cè)T處為虛地，故而電平為零設(shè)s=wj，則有模擬模塊部分的傳輸函數(shù)H1(S).根據(jù)基本要求（2）①中條件，模擬模塊與頻率補(bǔ)償模塊的傳輸函數(shù)乘積須為1故頻率補(bǔ)償部分的傳輸函數(shù)很顯然，頻率補(bǔ)償部分電路運(yùn)放的外接元件在運(yùn)放反相端左右兩部分相當(dāng)于對(duì)調(diào)，是一個(gè)高通濾波器，H2（S）的零點(diǎn)是方程的根，極點(diǎn)是0和。外接元件位于反相端左側(cè)極點(diǎn)部分在低頻下，兩個(gè)電容相當(dāng)于斷路，高頻下電容相當(dāng)于短路，與合在一起組成比例放大電路，增益分別為低頻下的和高頻下的1。2.2頻率補(bǔ)償各部分電路的分析2.2.1高通濾波器部分由2.1的初步分析可知，頻率補(bǔ)償部分的主體是高通濾波器（HPF），參考教材設(shè)計(jì)出二階高通巴特沃茲濾波器對(duì)模擬模塊部分輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。當(dāng)信號(hào)通過(guò)HPF之后，理論上信號(hào)的幅頻特性會(huì)變得比較穩(wěn)定。但是實(shí)際上由于通帶邊緣并不十分陡峭，濾波器電路本身又有一定的增益，所以需要通過(guò)仿真與搭建電路進(jìn)行進(jìn)一步分析。為了減小噪聲，采用低噪運(yùn)放搭建有源濾波電路。2.2.2帶阻濾波器部分經(jīng)過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，信號(hào)經(jīng)過(guò)HPF之后，呈現(xiàn)出帶阻的頻率特性，為了使輸出信號(hào)更加平緩，在HPF之后接一個(gè)帶阻濾波器（BRF），將HPF輸出信號(hào)經(jīng)進(jìn)行一步整形，使輸出更加平緩。參考教材設(shè)計(jì)出雙T帶阻濾波器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行整形。為了減小噪聲，采用低噪運(yùn)放搭建有源濾波電路。2.2.3運(yùn)算放大電路部分經(jīng)過(guò)前面幾個(gè)模塊，輸出波形是較為平緩的幅值較小的信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行放大。用低噪聲運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，得到較為平緩的幅值較大的信號(hào)。2.2.4.放大器穩(wěn)定性分析及通頻帶增益起伏控制放大器穩(wěn)定性與通頻帶增益起伏主要取決與芯片本身性能、電源穩(wěn)定性及PCB布局，芯片性能與自身工藝、工作溫度、電源穩(wěn)定性等有關(guān)。通過(guò)精選芯片，限制各級(jí)放大器的單級(jí)放大倍數(shù).，盡量選用低噪聲芯片，保證其性能和穩(wěn)定性。電源輸出噪聲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸入信號(hào)產(chǎn)生干擾，造成信號(hào)失真，為了盡量減小噪聲，我們?cè)谧灾频木€性穩(wěn)壓電源輸出端加入濾波電容，對(duì)電源噪聲濾波處理。2.2.5．線性相位分析各放大器模塊直接耦合，模塊間理論上不存在延時(shí)，存在延時(shí)的只有放大器芯片本身。為了分析系統(tǒng)的相位線性，我們使用仿真軟件multisim對(duì)其進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的延遲時(shí)間固定，大小為納秒級(jí)，信號(hào)相移與頻率成正比，低頻相移幾乎為零，系統(tǒng)的相頻特性線性度良好。2.2.6.直流零點(diǎn)漂移分析主要誤差因素有：輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電壓溫漂、，輸入偏置電流，輸入失調(diào)電流，輸入失調(diào)電流溫漂等。產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，如電源電壓不穩(wěn)、元器件參數(shù)變值、環(huán)境溫度變化等。其中最主要的因素是溫度的變化。預(yù)制零點(diǎn)漂移的措施，我們采用精選元件、對(duì)元件進(jìn)行老化處理、選用高穩(wěn)定度電源等措施，在集成電路內(nèi)部本身便有補(bǔ)償，盡量減小直流零點(diǎn)漂移。3電路設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)主要由模擬電路模塊、高通濾波器模塊、低通濾波器模塊、運(yùn)算放大模塊、電源模塊等組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。圖4系統(tǒng)框圖3.1.2高通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖二階有源高通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示圖5HPF子系統(tǒng)原理圖3.1.3低通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖二階有源低通濾波器子系統(tǒng)電路原理圖如圖6所示圖6LPF子系統(tǒng)原理圖3.1.4 根據(jù)系統(tǒng)電源要求，我們需要制作輸出為±12V的穩(wěn)壓電源。為了盡量減小電源信號(hào)的紋波，我們采用兩次濾波方案，即市電經(jīng)過(guò)變壓器變壓之后，經(jīng)過(guò)全波整流、電容濾波，將交流轉(zhuǎn)換為直流以及穩(wěn)壓之后，又設(shè)置濾波電容。在穩(wěn)壓部分，我們采用的是7805\7905。這部分電路比較簡(jiǎn)單，都采用三端穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試條件室溫25°C，220V交流電源；4.2測(cè)試條件與儀器示波器：DSO-X2012A100MHz2GSa/s。信號(hào)源：TFG6040DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。4.3測(cè)試方案1）斷開(kāi)模擬模塊與后面模塊的連接，輸入200Hz、峰峰值為10V的信號(hào)，用示波器觀察記錄模擬模塊輸出信號(hào)；逐漸增加輸入信號(hào)的頻率，觀察記錄以200Hz為基準(zhǔn)，Vb的?3dB高頻截止頻率。2）將模擬模塊與后面模塊連接，輸入200Hz、峰峰值為10V的信號(hào)，用示波器觀察記錄輸出信號(hào)；逐步提高輸入頻率，觀察A(f)=|Vo/Vs|的?3dB高頻截止頻率能否擴(kuò)展到大于50kHz以及頻率0~35kHz范圍內(nèi)的電壓增益A(f)的波動(dòng)是否在±20%以內(nèi)。3）將開(kāi)關(guān)K切換到接地端，觀察輸出Vo的噪聲均方根電壓是否滿足Vn≤30mV。4.3測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))模擬模塊輸入頻率（Hz）2005008001500200025003000350040004500輸入峰峰值（V）10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V10.000V輸出峰峰值（V）10.4V10.4V10.2V10.0V9.7V9.2V8.9V8.4V8.0V7.5V增益誤差（%，較之Hz）0.1%0.1%0.1%0.1%0.1%0.1%0.1%0.2%0.2%0.3%HPF，500HZ的高通輸入頻率（Hz）10020040060080010001500200030005000輸入峰峰值（V）10.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.000輸出峰峰值（V）0.61.473.725.596.837.68.69.09.39.5增益誤差（%，較之Hz）0.3%0.4%0.2%0.3%0.2%0.1%0.1%0.1%0.05%0.005%帶阻，以10k為中心，想要將高通和低通都通過(guò)的頻率進(jìn)行縮小，將所有的波形峰峰值修正在一個(gè)近似的范圍輸入頻率（Hz）100500100012001500250013K(拐點(diǎn))20K30K180K（接近失真點(diǎn)）輸入峰峰值（V）10.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.000010.00010.000輸出峰峰值（V）10.09.07.26.45.63.70.1310.71.54.8增益誤差（%，較之Hz）0.1%0.1%0.05%0.1%0.05%0.1%0.3%0.2%0.2%0.1%低通50KHZ，達(dá)到題目的截止要求，因?yàn)?5KHZ時(shí)峰峰值有點(diǎn)小，實(shí)際上根據(jù)理論計(jì)算的80KHZ截止搭出電路。輸入頻率（Hz）2001000500020000350005000055000600006500080000輸入峰峰值（V）10.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.000輸出峰峰值（V）10.210.210.19.38.16.66.25.675．314.8增益誤差（%，較之Hz）0.1%0.1%0.1%0.1%0.05%0.2%0.2%0.2%0.2%0.2%放大輸入頻率（Hz）100500100012001500250013K(拐點(diǎn))20K30K180K（接近失真點(diǎn)）輸入峰峰值（V）10.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.000010.00010.000輸出峰峰值（V）10.09.07.26.45.63.70.1310.71.54.8增益誤差（%，較之Hz）0.1%0.1%0.05%0.1%0.05%0.1%0.3%0.2%0.2%0.1%4.3.2測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下結(jié)論：1、2、3、綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5.參考文獻(xiàn)[1]《模擬電路基礎(chǔ)》.秦世才等.南開(kāi)大學(xué)出版社.[2]