频率补偿报告--竞赛-电子设计

目录一、系统方案论证与比较...............................................................................................................11、模拟模块运放方案选择..................................................12、滤波器方案选择........................................................13、频率补偿电路方案选择..................................................24、系统整体框............................................................2二、理论分析...................................................................................................................................21、滤波器分析............................................................22、补偿模块分析..........................................................3三、电路设计与软件设计...............................................................................................................41、滤波器电路............................................................42、频率补偿电路..........................................................43、软件工作流程图........................................错误!未定义书签。四、测试方案与测试结果...............................................................................................................51、测试仪器..............................................................52、测试方案及测试结果....................................................53、总结..................................................................6五、参考文献...................................................................................................................................61摘要本系统基于高精度低噪放大器OPA2227，设计了噪声抑制比较好的频率补偿电路。系统中采用巴特沃斯低通滤波器，有效滤除高频噪声干扰并实现带宽内的最大平坦度。本系统实现了0到75KHz电压波动小于10%，将补偿后−3dB高频截止频率扩展到104kHz，输入接地时输出噪声均方根电压Vn≤10mV，完全满足题目要求。关键字：频率补偿，低噪声，巴特沃斯滤波器;AbstractThesystemisbasedonhigh-precisionlow-noiseamplifierOPA2227,designedabetternoisesuppressionfrequencycompensationcircuit.SystemusedinButterworthlow-passfilter,effectivelyfilterouthighfrequencynoiseinterferenceandachievemaximumbandwidthflatness.Thesystemachieveda0to75KHzvoltagefluctuationislessthan10%,thecompensatedfrequency-3dBcutofffrequencyextensionto104kHz,inputgroundedrmsoutputnoisevoltageVn≤10mV,fullymeettherequirementsofthesubject.Keywords:frequencycompensation,lownoise,Butterworthfilter;一、系统方案论证与比较1、模拟模块运放方案选择方案一：OPA2134音频运算放大器，最低噪声8nV/zH，通频带宽8MHz，输入电源范围±2.5V～±18V，输入偏置电流最大值100pA，输入失调电压最大值2mV。方案二：OPA2227P高精度低噪声运算放大器，双通道运放，最低噪声3nV/zH，通频带宽8MHz，输入电源范围±2.5V～±18V,输入偏置电流最大值10nA，输入失调电压最大值75uV。方案选择：综合考虑频带要求，直流特性和外部元件参数，尽量减小放大器本身噪声造成的干扰，采取低噪运放，即需要所选运放具有：高阻，高频，低失调电流的特点，所以采取方案二，即OPA2227作为模拟模块的运算放大器。2、滤波器方案选择方案一：用R无源滤波器。RC无源滤波器电路简单，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滤波器和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，而且在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。2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有源滤波器，来设计低通滤波器。3、频率补偿电路方案选择方案一：采用比例微分（PD）电路进行反馈补偿，实现增益不变的要求，但PD在完成补偿后仍能实现增益增长，容易长生自己现象，且不满足发挥部分截至频率扩展到100KHz±5KHz的要求。方案二：由AD实时采样后用MCU处理数据并通过DA输出。此方案要求MCU能够非常快的处理数据并输出，对MCU要求严格，同时算法也比较复杂。方案三：根据“模拟模块”的传递函数：222223312+2+()=-=-1+2+(1+sCR)RsCRRsCRHsRsCRsCRR同时考虑到系统整体增益不变的条件，得出频率补偿电路的传递函数。两者模的乘积等于常熟“1”实现频率补偿。增益贷款足够大，满足频率扩展增益不变的要求。方案选择：经过对比考虑，决定选用方案三，其电路较为简单，调试方便。4、系统整体框模拟模块低通滤波频率补偿信号输入信号输出图1系统总体设计框图二、理论分析1、滤波器分析巴特沃思滤波器的特性是在其通带内有最佳的平坦度，所以巴特沃思滤波器亦称为最佳平坦度滤波器；但其在截止带内会有纹波的现象，且过渡频带的衰减变化也不够陡峭。切比雪夫滤波器的特性是在其通带内有大小相同的纹波，所以切比雪夫滤波器又称为相同纹波滤波器；但其在截止带内不会有任何的纹波现象，且过渡带的衰减变化比巴特沃思来得陡峭多，但在所有滤波器种类中，它的衰减量还不算是最陡峭的，最陡峭是属于Elliptic滤波器。3图2相同情况下两种滤波器的对比2、补偿模块分析图3模拟模块电路图模拟模块部分的传输函数H1(S):1222223312+2+()=-=-1+2+(1+sCR)RsCRRsCRHsRsCRsCRR所以其逆系统的传递函数H2(S):2222332211+sCR11+2+()==-=-()2+2+RsCRsCRHsRHsRsCRRsCR再利用如下的补偿原理即可设计出补偿电路(s)(s)A(s)==-(s)Z(s)foVigZVV(s)(s)A'(s)==-(s)Z(s)goVifZVV(s)(s)A(s)=A(s)A'(s)=--=1Z(s)Z(s)fgVtotVVgfZZ4ZfZgGNDVOUTVINZgZfGNDVOUTVIN图4补偿原理示意图三、电路设计与软件设计1、滤波器电路图5滤波器电路为了使通频带内增益起伏小于±10%，，所以滤波器采用通频带最平坦的Butterworth滤波器，同时为了满足100KHz时能够达到-3dB的衰减，故提高滤波器的阶数使用4阶有源Butterworth滤波器。2、频率补偿电路5图6频率补偿电路这里使用模拟模块的逆电路来达到频率补偿的目的，但由于元器件自身的特性，导致电路并非完全对称。电路中R6作用是增加极点使得幅频曲线早些下降以去除增益尖峰。四、测试方案与测试结果1、测试仪器函数发生器：RIGOLDG1022示波器：RIGOLDS1102D2、测试方案及测试结果（1）断开模拟模块与后级的连接，测试模拟模块分别在0Hz至4.8KHz的输出并计算其相对200Hz时的增益（dB）：表一模拟模块输出频率1Hz5Hz50Hz200Hz1KHz2KHz3KHz4KHz4.8KHzVb（V）9.8109.449.449.368.888.167.366.68增益(dB)0.320.5000-0.07-0.53-1.26-2.16-3.00（2）将模拟模块与后级连接，测试整体输出和200Hz时的输入Vs：表二整个系统输出频率Vo（V）A（200Hz）增益(dB)频率Vo(V)A（200Hz）增益(dB)1Hz100.99-0.0830KHz10.1105Hz10.11040KHz10.00.99-0.0850Hz10.11050KHz9.840.97-0.22200Hz10.11060KHz9.600.95-0.441KHz10.11070KHz9.200.91-0.814.8KHz10.21.000.0880KHz8.640.85-1.3510KHz10.21.000.0890KHz7.920.78-2.1120KHz10.21.000.08100KHz7.120.70-3.03从上面的表格中可以看出系统在1Hz-70KHz满足题目的10%的摆动，整个系统的-3dB的截至频率在100KHz。同时在200Hz时测得输入Vs=10.1,计算可得Vo/Vs=1，满足题目要求。（3）将输入短接，测试输出噪声：6Vo(RMS)=10mV3、总结本系统主要基于信号系统中的频域分析方法，运用了传递函数、零极点之间的关系，从而使得电路总体思想目标明确、思路清晰，电路简单；此外，整个系统采用低噪放大器，使电路噪声降到最低。在频率补偿前放置低通滤波也能很好的抑制着噪声。自制直流稳压电源，保证电路平稳供电的需要。五、参考文献【1】黄席春等著.《滤波器综合法设计原理》.人民邮电出版社【2】全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计.电子工业出版社，2007，8.【3】运算放大器应用技术手册。人民邮电出版社，2009.1.