频率补偿电路

频率补偿电路（B题）
摘要：本系统以TI高性能音频运算放大器OPA2134为核心，组成多级模拟信号运算电路，对已知模拟模块的高频特性做补偿。

模拟模块的信号输出分为两路处理，一路经过高通滤波器，补偿原电路的高频特性。

另一路经过一个一阶RC低通网路，用来获取原通带特性。

然后将低通信号衰减，最后将两路信号做加法线性放大、低通滤波，完成对高频特性的补偿。

整个系统采用了高性能运算放大器，系统噪声小，运算电路稳定，失调电压小，波形失真小，较好的完成了设计要求。

关键词：频率补偿，OPA2134，模拟信号运算电路，高性能运算放大器
目录
一、系统方案设计与论证 (1)
1.1频率补偿电路 (1)
1.2总体方案描述 (1)
二、理论分析与计算 (2)
2.1“模拟模块”电路分析 (2)
2.2频率补偿电路 (2)
2.2.1 高通滤波器 (2)
2.2.2 低通滤波器 (3)
2.2.3 衰减电路、加法电路、比例放大电路、低通滤波器 (3)
三、各部分电路设计 (4)
3.1高通滤波 (4)
3.2低通滤波与衰减电路 (4)
3.3加法电路与比例放大电路 (4)
3.4100K H Z低通滤波电路 (5)
四、系统软件设计 (5)
五、测试方案与测试结果 (6)
5.1测试仪器 (6)
5.2“模拟模块”电路测试 (6)
5.3频率补偿测试 (6)
5.4输出噪声电压测量 (7)
六、参考文献 (7)
一、系统方案设计与论证
1.1 频率补偿电路
方案一：使用VCA810组成AGC(自动增益控制)电路自动稳定输出峰值，使频率补偿模块在一个较宽的频带内输出峰值稳定，然后经过低通滤波器调整通频带宽度。

达到补偿高频特性的目的，此种方案补偿相对简单，频率补偿电路输出增益波动较小，但是AGC输入电压范围较小，随输入信号变化时需要动态切换衰减网络，电路复杂，实测低频段容易失真，故不采用。

方案二：使用FIR数字滤波器，由已知电路特性可推得其传递函数，然后计算数字滤波器传递函数，使用FPGA或是DSP做数字滤波，实现高频补偿，此方法实现复杂，程序的复杂度较高，鉴于时间有限和调试的难度，所以不采用。

方案三：使用模拟运算电路和模拟滤波电路对“模拟模块”输出信号进行分段处理，先补偿高频段，然后叠加上低频段，实现设计要求，此方案电路模块较多，但都是线性电路，波形失真小，低频特性好，单元电路简单，故选此方案。

1.2 总体方案描述
系统框图如图1所示，由四部分组成：“模拟模块”电路，频率补偿模块，单片机测频模块，电源模块。

输入信号先经过“模拟模块”电路，模拟出传感器特性，然后送给频率补偿模块，频率补偿模块分为两路，一路经过高通，得到一个带通特性，另一路先经过低通滤波器再经过衰减器，使输出信号和高通输出信号匹配，然后将两路信号相加，两路频率特性相互补偿，通频带得到拓宽，然后将信号放大，最后经过100kHz的低通滤波器，限制输出的频带宽度。

单片机实时显示测试频率。

图1 系统框图
二、理论分析与计算
2.1“模拟模块”电路分析
题目使用“模拟模块”电路实现对传感器的特性的模拟，要求对该模块的高频特性做补偿，根据题目要求我们可以知道，该电路-3dB 截止频率为4.5kHz ±0.5kHz,带内增益0dB ，由电路形式及参数得到其传递函数为：
222
2
2()2f f s f s f s
R R sC A s R R sC R R s C R +=-
++
带入参数：s R =10M Ω，f R =5.1M Ω，C=4.7p 使用MATLAB 计算易得该电路两极点重合为：-4.1719E4 一个零点为：-8.3438E4 通过TINA 仿真频率特性，可知低通的过渡带衰减率约为-21dB/十倍频，仿真频率特性如下图所示：
图2 “模拟模块”电路频率特性
2.2 频率补偿电路
2.2.1 高通滤波器
高通滤波器完成对4.5kHz~100kHz 的频率补偿，我们将高通的截止频率设置
为100kHz ，为了得到通带内最大平坦，所以高通电路的形式要与“模拟模块”电路对称，这样在交叉的频带内可获得最大的平坦，就可以实现0~70kHz 通带内的增益波动≦10%。

获得高通传递函数：
22
112221122()21
R sC R R s C A s R sC R R s C +=-
++ 将电路中的电容全取4.7p ，把截止频率设为100kHz,可计算出结果：1R =150k ，
2R =75k.使用TINA 对高通幅频特性仿真如图3：
图3 高通频率特性
2.2.2 低通滤波器
低通滤波器用来补偿低频特性，如图4所示，当信号经过高通滤波器之后频
率特性在0~4kHz 存在衰减，而此衰减率约为-20dB/十倍频。

为了得到最大的带内平坦度，低通滤波器应使用1阶RC 低通（衰减率为-20dB/十倍频），而由图4可知通带最小衰减在-30dB 左右，所以信号通过低通滤波器之后要适当的衰减。

然后和高通滤波器输出相加，获得完整的频带特性。

图4 经过高通后频率特性
2.2.3 衰减电路、加法电路、比例放大电路、低通滤波器
衰减电路：即反向比例衰减，衰减倍率可调节。

衰减可调范围至少在100倍，因为高通输出信号具有固定衰减，所以此处的衰减需要调节。

加法电路：使用1：1反向加法电路，将高通信号和低通衰减之后的信号相加。

比例放大电路：使用反向比例放大，放大倍率可调，放大倍率应在100倍以上，使用两级放大，第一级使用固定放大，第二级增益可调。

低通滤波器：使用两级2阶巴特沃斯滤波器级联，2阶巴特沃斯低通滤波器传递
函数为：1221
21121221221
1()1111[(1)]v
v A R R C C A s s A s R C R C R C R R C C =
+++-+
带内增益v A =1，截止频
率为100kHz ，根据传递函数可得：1C =200p ，2C =68p ，1R =7.1K Ω，2R =27K Ω
三、各部分电路设计
3.1 高通滤波
高通滤波电路，电路形式与“模拟模块”电路形式相同，只是将电阻和电容位置交换，但是输入电容并不是按原来的比例取得，R1=150K，R2=75K，C=4.7p。

图5 高通滤波器电路
3.2 低通滤波与衰减电路
低通滤波使用的1阶RC滤波，可以得到过渡带-20dB/十倍频的衰减率，配合高通滤波器之后的输出特性，可以补偿低频响应，实现宽范围的频率响应特性。

因为高通滤波器输出具有固定衰减，所以低通滤波器也需要做一定量的衰减，调试时使用可变电阻调节，同时低通滤波器截止频率直接影响带内波动，所以此处也使用可变电阻微调，使其在通带内获得最佳平坦度。

图6 低通滤波与衰减电路
3.3加法电路与比例放大电路
加法电路将通过高通后的信号与通过低通后的信号叠加，实现高频增强，然后经过两级放大，将信号放大到10V。

图7 加法电路与比例放大电路
3.4 100kHz 低通滤波电路
100kHz 低通滤波器，用于滤除高频噪声，并实现发挥部分-3dB 高频截止频
率在100kH z ±5kHz 的要求。

图8 100kHz 低通滤波器
四、系统软件设计
系统的软件功能实现了频率测试与实时显示，主控制器为TI 推出的超低功
耗单片机MSP430G2553.通过TA0与TA1配合实现硬件测频，TA1产生半秒门宽，激发TA0的捕获模块捕获外部时钟的上升沿个数实现测频。

软件流程如图9：
图9 程序流程图
五、测试方案与测试结果
5.1测试仪器
5.2“模拟模块”电路测试
测试方案：函数发生器输出稳定的10V信号给“模拟模块”电路。

改变函数发生器的输出频率，测量“模拟模块”电路输出信号的峰峰值。

符合基本要求中-3dB截止频率为4.5kH z±0.5kHz的要求。

5.3频率补偿测试
测试方案：函数发生器输出稳定的10V信号给“模拟模块”电路。

改变函数发生器的频率，测量频率补偿电路输出信号的峰峰值。

结果分析：由测试结果可知，在200Hz时输出峰峰值为10.2V，在0~70kHz 范围内，峰值波动为0.84V，增益波动为8%，达到发挥部分的±10%的要求。

-3dB 截止频率为103kHz，达到了发挥部分100kHz±5kHz要求。

5.4 输出噪声电压测量
测试方案：将输入端与地短接，使用交流耦合测补偿电路输出信号均方根值。

测试结果：输出端噪声均方根最大8.2mV，满足发挥部分≦10mV要求。

六、参考文献
【1】谢自美.电子线路设计.实验.测试.武汉：华中科技大学出版社，2006 【2】康华光.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社，2006
【3】黄根春等.电子设计教程.北京：电子工业出版社，2007
【4】张玉清等.信号与系统分析.北京：机械工业出版社，2005
【5】杨素行.模拟电子基础简明教程.北京：高等教育出版社，2006
【6】黄根春.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法，2011。