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1、频率补偿电路（B题）电子科技大学 余波 何剑锋 郝昊奇摘要：本系统充分应用TI的高精度低噪放大器OPA2227,设计了噪声抑制比较好的频率补 偿电路。本系统实现了题目要求的所有基本要求和发挥要求，并且频率在0 到 85KHz 电压 波动小于10%；系统所有滤波器均采用压控反馈形式,有效的防止了系统自激振荡而又可 以适当的增大电压放大倍数；自制直流稳压电源及基于MSP430的液晶显示模块，可显示输关键词：频率补偿,压控反馈,低噪声Abstract： This system makes application to TIs high-precision low-noise amplifier, O
2、PA2227, and noise suppression better frequency compensation circuit. This system subject to the requirements of all the basic requirements and play requirements, and voltage fluctuations from 0 to 85KHz less than 10%; system, all filters are used to voltage-controlled feedback in the form of prevent
3、ing the self-excited oscillation system and appropriate increase the voltage amplification factor; homemade DC power supply and MSP430-based liquid crystal display module can display the frequency of the input signal.Keywords: frequency compensation, voltage-controlled feedback, low-noise一方案设计与论证 经过
4、仔细的分析与激烈的论证，我们认为频率补偿即扩宽频带如下：题目模 拟模块部分传递函数为惯性环节（4.5KHz低通滤波器），我们要扩宽频带，就必 须再后面加一个一阶微分环节,使 4.5KHz 到 100KHz 信号频带变水平；后加一个 惯性环节,使 100KHz 以后的信号呈现衰减，而这三个环节的频域合成则是通过求 和放大器实现。综上所述，电路可分为截止频率 100KHz 的高通滤波器，可控增益放大，求 和放大器，截止频率 100KHz 的低通滤波器，单片机最小系统，直流稳压电源这 几个模块。系统主要框图如下：图 1 ：总体系统框图1.1 高通滤波器的论证与选择方案一：用RC无源滤波器。RC无源滤
5、波器电路简单，参数计算也比较简单； 但其增益有一定衰减，对于 100KHz 截止频率的滤波不大合适。方案二： LC 无源滤波器。对于 100KHz 左右的频率用 LC 滤波器及 RC 滤波器 都没有太大差别，但是 LC 滤波器要求很好的阻抗匹配，而且理想情况下输出信 号衰减一半。对于前级输出电阻比较大的或输出电阻不确定的电路就不适合用 LC 无源滤波器。方案三： RC 有源滤波器。对于要求信号在通频带内要平坦的电路，用 RC 有 源滤波器是最好的选择，因为其可控增益，可引入电压反馈，进一步保持了通频 带内信号的平坦。方案选择：经过以上充分考虑，我们选择方案三RC滤波器，来设计略高 于 100K
6、Hz 的高通滤波器。1.2 可控增益放大 方案一：由于处理的信号频率较低，选用上兆带宽运放的单级放大电路即可对信号有很大的增益，选用低噪运放 OPA2227 做单级放大电路，且参数设计时将 电阻的值取小，可以有效提高放大电路的信噪比，且不容易产生自激。但是对运 放的压摆率有一定的要求，0PA2227的压摆率为2.3V/us，理论上刚好满足本电 路的要求。方案二：选用低噪运放 OPA2227 做两级级联放大电路，通过降低每级放大电 路的增益，可以防止压摆率不够而使信号失真，但是两级放大电路大大降低了信 噪比，且容易产生自激。方案选择：考虑到本题对信噪比的要求较高，我们选择方案一，采用 OPA22
7、27 做单级放大电路。1.3 求和放大器 由总体方案可知，高通滤波器对电路的高频特性能有效地补偿，但是高通滤 波器大大衰减了低频信号，且完全隔绝了直流信号，而原信号 Vb 的低频特性很 好，所以我们用求和放大器对补偿电路和原信号进行频域合成，可以使系统的频 域特性满足要求。为了提高系统信噪比，我们采用反相求和电路且将电阻的参数 取小。1.4 低通滤波器 加于电路末级的截止频率为 100KHz 的低通滤波器主要作用有二：一是确定整个系统的截止频率为lOOKHz,从而满足题目要求；二是进一步滤除电路噪声, 从而避免信号失真或自激。通过 1.1 的论证，本设计选择 RC 有源滤波器为佳。1.5 单片
8、机最小系统（“其他”部分） 本部分是题目“发挥部分”中“其他”部分,即测量输入信号、在 5OOHz 到lOOKHz 范围内显示信号频率,显示频率相对误差不大于 l%。1.6 直流稳压电源（“其他”部分） 本部分是题目“发挥部分”中“其他”部分,它是整个系统的供能模块。本设计通过变压器将 22OV 交流电变为 l2V 交流电,再通过整流桥, 79l2、78l2、 79O5、78O5 四块稳压芯片,其中伴随一系列整流滤波电路；最后得到稳定的正 负 l2V 、 5V 直流电源。二理论分析与计算2.l 系统传递函数及系统零极点 因为系统频率补偿前后都是一个惯性环节,只是其开环极点不同而已。其中，由开环
9、极点= 2二匸=4.5KHz）推出频率补偿前系统传递函数：6.247 X 105=二U 率补偿后lOOKHz， 系统传递函数：:二:。频率补偿前系统幅频特性图：图 2 ：截止频率 4.5KHz 波特图频率补偿后系统幅频特性图：回llcrai Copyl Limits 1 Texl | Freeze| Exit |p Mag 7 Phase 厂 Grp Delay ” dBP Deg IfiContinuous Frequency ResponsenMagnitude (dB)-2.5-20-5-40-7.5-60-1Q Phase (Deg)-SO f-12.5-1OT-15-120-17.5
10、-1407 ri23 4 5 6 7 8 923 4 5 6 78923 4 5 6 789-I OU1K10 K100 K1M1st Order Low Pass ButterworthFrequency (Hz)Mon Aug 06 15:54 2012 Continuous Frequency Response图 3 ：截止频率 100KHz 波特图2.2 滤波电路分析 本系统中各低通、高通滤波器均根据滤波器设计软件 Filter solution10 设计而 成；因为系统要求信号在通频带内尽量平坦，所以各滤波器均采用通带内最平坦 的 Butterworth 滤波器，而根据我们观察：在滤
11、波器阶数小于 4 时， Butterworth 滤波器在通带外的衰减速率比其他几种滤波器的都要快（有陷波点的除外），而 此次设计的滤波器都是 4 阶以下，所以都采用了 Butterworth 滤波器。2.3 可控增益放大器分析 放大器的信噪比要求较高，同相放大器的共模噪声较大，不适合此电路，电阻不能选的过大。所以我们选用单级反相放大器，且在正负电源处用O.luF电容 做褪耦，可以有效滤除噪声。2.4 求和放大器分析 选用反相求和电路，将电阻的参数取小，正负电源处严格地用 0.1uF 电容褪 耦。2.5 低噪声设计分析 对于噪声抑制，我们采取了以下措施：首先，用粗地线将频率补偿电路包围， 可以减
12、小外界噪声对信号线的干扰；其次，在电源线的旁边平行的走一条地线， 可以有效吸收电源线的噪声；最后，每个模块电路都要严格地做褪耦处理。2.6 单片机最小系统分析本次设计采用 MSP430 单片机最小系统，通过采样输入信号，进而显示信号 频率。2.7 直流稳压电源分析 作为一个合格的直流稳压电源，其输出直流电压应做到纹波小、带负载能力 强、电流输出足够大等，而本设计采用电桥整流，用到可靠性比较高的79/78系 列稳压芯片，而外围电路加上了许多合理的滤波电容，更有整流二极管等做保护， 参考了网上比较好的电路排版模块，是比较好的直流源。三电路与程序设计3.1 高通滤波器设计截止频率为 100KHz 高
13、通滤波器可以使原系统 4.5KHz 到 100KH 衰减频带变得 平滑，但是系统测试得到的信号整体被衰减了很多，所以要经过下面的可控增益 放大器进行放大。由于前级模拟模块的滤波为 1 阶，为了匹配前级，这里的高通滤波器也设计 为1阶，设计过程通过滤波器设计软件Filter solution完成，再经过修改参数 使其与实际元件相符。最后结果如下：图 4:”=100KHz3.2 可控增益放大器设计OPA2227的带宽为8MHz，理论上100k的正弦信号可以放大80倍，但是实 际要比 80 倍小，我们实测得此电路对 100k 的正弦信号的最高增益为 60 倍，且压摆率刚好满足要求，在输出信号为10V
14、峰峰值时信号没有失真。图 5 ：可调增益放大器3.3 求和放大器设计 通过求和放大器对两个频域的信号进行合成。调试可使信号在 0-70KHz 以200Hz 为基准时波动在 10%以内。3.4 低通滤波器设计此处的低通滤波器截止频率为100KHZ，作为整个系统的最后输出级。作用 是为了让补偿后的系统截止频率为100KHz及滤除系统噪声。滤波器通过软件图 7：_ =100KHz3.5 单片机最小系统MSP430 单片机最小系统测量信号后通过液晶显示信号频率大小。四系统测试我们是直接按照题目发挥部分测试的，测试结果表明：200Hz的输入信号在 Vb处没有明显失真;Vb及Vo的截止频率分别是4.3KH
15、z和102KHz；在0到85KHz 通频带内Vo起伏不超过10%（以电压增益A（200Hz）为基准）；系统噪声均方根小 于 4.57mV. 具体测试如下：4.1 测试条件（1）100M数字存储示波器：型号Tek tronix TDS1012B；（2）四位半万用表：型号FLUKE45；（3）函数信号发生器：F40型数字函数发生器4.2 测试过程4.2.1 测试 Vs=200Hz 时， Vb 是否有明显失真 测试结果：没有明显失真,满足题目要求。4.2.2Vs=200Hz 时，Vpp=10V，测量 Vb:01101001K2K3K4K4.3Kvb/v10.2010.1010.2010.2010.109.448.457.287.07测试结果：由上表可以看出，Vb截止频率在4.3KHz，满足题目要求。4.2.3 Vs=200Hz 时，电压增益 A(200Hz)=|V/Vos测试结果： A(200Hz)=
