1、1.系統(tǒng)設計1.1設計要求1.1.1任務設計并制作一個頻率補償電路，補償“模擬某傳感器特性的電路模塊”（以下簡稱“模擬模塊”）的高頻特性。電路結構如圖1.1所示。圖1.1 電路結構1.1.2要求1. 基本要求(1) 按圖1.1所示組裝“模擬模塊”電路，其中正弦波電壓信號發(fā)生器可使用普通函數(shù)信號發(fā)生器。在開關K接Vs的條件下達到如下要求： Vs為200Hz、峰峰值為10V時，“模擬模塊”輸出Vb沒有明顯失真。 以200Hz為基準，Vb 的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz 0.5 kHz。 (2) 設計并制作頻率補償電路，使之達到如下要求： 頻率為200Hz時的電壓增益A(200Hz)=|Vo/

2、Vs|=1 0.05。 以電壓增益A(200Hz)為基準，將A(f)=|Vo/Vs|的3dB高頻截止頻率擴展到大于50kHz。 以電壓增益A(200Hz)為基準，頻率035kHz范圍內的電壓增益A(f)的波動在20%以內。(3) 在達到基本要求(2)的第、項指標后，將開關K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn30 mV。2. 發(fā)揮部分(1) 在達到基本要求(2)的第項指標后，以電壓增益A(200Hz)為基準，將A(f)的3dB高頻截止頻率擴展到100kHz5kHz。(2) 以電壓增益A(200Hz)為基準，頻率070kHz范圍內的電壓增益A(f)的波動在10%以內。(3) 在達到基本要求

3、(2)的第項和發(fā)揮部分(1)的指標后，將開關K切換到接地端，輸出Vo的噪聲均方根電壓Vn 10 mV。(4) 其他。1.1.3說明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”中的運算放大器A，該運放必須為TI公司產品。2. 要求“模擬模塊”輸出Vb 的3dB高頻截止頻率為4.5 kHz0.5 kHz。如果所測高頻截止頻率6 kHz，則以后項目將不予評測。3. 根據(jù)對高頻響應特性的要求，頻率補償電路中插入適當?shù)牡屯V波電路可以有效降低輸出Vo的高頻噪聲。此外，還應注意輸入電路的屏蔽。4. 在圖1.1所示開關K切換到接地端的條件下，在T端接入圖1.2(a)所示的電路可簡化系統(tǒng)頻率特

4、性的測試、調整過程。設定函數(shù)信號發(fā)生器輸出Vt為頻率500Hz、峰峰值5V的三角波電壓，則輸出Vb的波形應近似為方波脈沖。如果頻率補償電路的參數(shù)已調整適當，則輸出Vo的方波脈沖會接近理想形狀。若高頻截止頻率為fH=50kHz，則輸出的方波脈沖上升時間應為tr 7s；若fH=100kHz，則tr 3.5s；tr的定義如圖1.2(b)所示。應用fHtr 0.35的原理，可將系統(tǒng)的頻率響應特性調整到所要求的指標。注意：Ci到運放A反相輸入端的引線應盡量短，以避免引入額外干擾。 (a) (b)圖1.2 輔助調試電路及波形定義4. 要求在Vb端和Vo端預設測試點（TP1、TP2），以便于測試時連接示波器

5、探頭。1.2總體設計方案1.2.1設計思路 由“模擬模塊”的電路圖連接實際電路，測試其輸出特性，滿足要求后，由補償后的放大倍數(shù)為1，可得出在變換到復頻域后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為1。因此，可先列出模擬模塊的傳遞函數(shù)，進而可求得頻率補償模塊的傳遞函數(shù)，便可以由傳遞函數(shù)設計頻率補償模塊的電路結構。1.2.2方案論證與比較方案一：RC網(wǎng)絡補償：由”模擬模塊“的傳遞函數(shù)，計算可得知補償模塊傳遞函數(shù)，用傳遞函數(shù)構造出由電容和電阻組成的電路。方案二：A/D網(wǎng)絡補償：通過用A/D模塊把衰減情況變換成數(shù)字量，再用單片機采集模擬模塊隨頻率變化的衰減數(shù)據(jù)，與目標放大倍數(shù)進行分析比較，結合模擬模塊放大倍數(shù)與頻率的關系，得出

6、比較的差值后，用D/A模塊變換回模擬量，控制電路對衰減的部分進行補償，實現(xiàn)衰減多少，補償多少的設計。方案三： 有源補償：有源補償主要是使用運算放大器構成運算電路，實現(xiàn)積分和微分等補償方法電路。由前端電路的傳遞函數(shù)設計頻率補償電路。方案比較選擇：綜合分析方案一、二、三。方案一設計復雜，誤差、功耗較大，較難設計實現(xiàn)；方案二A/D轉換引起誤差并放大，電路設計成本較高，頻率補償具有滯后性；方案三電路結構簡單，電路成本低，補償實時性好。本設計采用方案三。模擬模塊信號發(fā)生器/接地1.2.3系統(tǒng)組成運算放大器頻率補償模塊微分電路微分電路輸出信號 圖1.3 系統(tǒng)總體設計流程圖 2單元硬件設計2.1“模擬模塊”

7、的電路模塊設計2.1.1“模擬模塊”的電路 圖2.1 模擬模塊電路圖2.1.2理論計算 2.1.3“模擬模塊”傳遞函數(shù)幅頻特性圖2.2 模擬模塊傳遞函數(shù)MATLAB仿真幅頻圖和相位圖程序：G=tf(-0. -10.2,5740.56*10(-12) 0. 10); bode(G) 根據(jù)幅頻和相位特性曲線可知，頻率在105 rad/s時，信號開始衰減，因此設計頻率補償電路，傳遞函數(shù)要設計從105 rad/s進行補償。2.1.4“模擬模塊”傳遞函數(shù)零極點分析圖2.3 模擬模塊零極點分析MATLAB仿真幅頻圖和相位圖 G=tf(-0. -10.2,5740.56*10(-12) 0. 10); 零點

8、:z = -8.3470e+003；極點：p = 2x1 double；增益：k =-2.1287e+005 圖2.4 模擬模塊零極點分析MATLAB仿真幅頻圖和相位圖 G=tf(5740.56*10(-12) 0. 10,-0. -10.2); 零點: z = 2x1 double；極點：p =-8.3470e+003； 增益：k =-4.6977e-006 2.2頻率補償電路模塊設計2.2.1理論計算 2.2.2頻率補償電路模塊傳遞函數(shù)幅頻特性圖2.5頻率補償電路傳遞函數(shù)MATLAB仿真幅頻圖和相位圖程序：G=tf(-0. -10.2,5740.56*10(-12) 0. 10); bode(G) 根據(jù)幅頻和相位特性曲線可知，頻率在105 rad/s時，信號開始衰減，因此若要在后期設計頻率補償電路，要設計從105 rad/s進行補償。2.2.3電路模型的建立圖2.6 頻率補償電路圖此電路由電容Cf1=Cf2=2.35pF,Cf3=Cf4=4.7pF;電阻Rf1=Rf2=2M,Rf3=Rf4=5.1M,Rs=10M及OPA213