频率补偿电路的设计

频率补偿电路的设计
摘要:
本设计是基于TI提供的芯片的模拟传感器频率补偿的模拟系统；该系统主要由模拟某传感器特性的电路模块模块、衰减网络模块、一阶有源RC低通滤波模块和加法器模块构成；电路频率补偿运用了自动控制、模拟电路、信号与系统知识分析通过改变原模拟某传感器特性的电路模块的零极点分布实现提高-3dB高频截止频率的功能，并通过matlab仿真计算出正确的系数保证输入基准信号在通频带范围内无失真输出、该作品具有的低功耗、低噪声等特色；最终本系统实现了50kHz 与100kHz频率段的补偿，且各项指标基本达标。

方案使用的TI芯片：OPA2227 TL082 NE5532
1.方案比较与论证
1.1系统总体方案
图1 系统结构框图
1.2频率补偿电路
方案一：自动增益控制（AGC）
自动增益电路具有使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制稳定输出的能力，可以把模拟传感器特性的电路模块衰减的幅度以稳定电压输出，通过放大电路来提升衰减的电压并通过低通滤波器滤除所需截止频率以下的频率，从而实现频率补偿功能。

方案二：系统传递函数及零极点并联补偿法
计算出模拟模块的传输函数H1（s），推算出系统增益为常量时的频率补偿网络的传输函数H2（s），根据H2（s）的特性求算出频率补偿网络的电路结构。

由于模拟模块部分等效于一个低通滤波器，初步推测出频率补偿网络部分主要是低通滤波器，信号经模拟模块部分可变为幅度变化较小的信号，再通过截止频率50KHz以上的低通滤波器，以及截止频率为13.27的的通滤波器和一个全通系统并联输入加法器叠加并放大便可以输出符合题干要求的信号，实现频率补偿。

方案的系统框图如图2所示。

方案三：零极点串联补偿法
计算出模拟模块的传输函数H1（s），推算出系统增益为常量时的频率补偿网络的传输函数H2（s），根据H2（s）的特性求算出频率补偿网络的电路结构。

对各个通过串联模式连接并放大同样可以输出符合要求的信号，从而实现频率补偿
方案四：发射极电容补偿方法
发射极电容补偿方法是给发射极电阻并联一个小电容，电容的阻抗随频率的
升高而下降，则电阻对高分量的负反馈作用减弱，正好提高了高频信号的增益，从而实现了对前级信号的衰减进行补偿，同时提高了截
图2 方案二框图
方案论证：
从理论上说，方案一数输出幅度的文波系数较小，信号稳定，可以更好的实现频率补偿，但容易产生自激振荡，且要求输入的控制信号十分稳定；方案三无论从理论上还是实际电路上都比较难以实现；方案四是由孤立原件做成，各方面性能都比运放的电路稍差，且噪声干扰较大。

综合考虑以上几种方案，选择方案二，即零极点并联频率补偿法。

1.3运放型号选择
方案一：
OPA2227高精度、低噪声的运算放大器，最低噪声8nV/√Hz，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：
OPA2340单电源、轨到轨的运算放大器，通频带5.5MHz,高转换速率6V/us，低噪声，低静态电流750uA/channel;
方案三：
TLV2460带掉电模式的低功耗，轨到轨输入/出的运算放大器，的输
出驱动能力，增益带宽积6.4MHz，输入噪声电压11nV/√Hz,输入补偿电压100uV。

综合考虑频带要求，直流特性和外部元件参数，尽量减小噪声干扰，使用低噪声运放，在考虑到精度要求，最终决定采用OPA2227作为模拟模块的运算放大器。

2．硬件电路设计
2.1模拟模块
该模块为一模拟某传感器特性的电路模块(简称模拟模块)，由TI芯片OPA2227构成的有源二阶低通滤波，原理图如图3。

2.2频率补偿电路
2.2.1总体框图
由题目要求可知模拟模块的截止频率为4.5K0.5K，要将截止频率提高到50k
或100k，则需要对模拟模块衰减的幅度进行提升，根据信号与系统及自动控制知识可知：改变系统传递函数的零极点可达到补偿的功能，框图如图4。

图3 模拟模块
图4 频率补偿部分框图
2.2.2参数计算
如图2所示，对该图进行节点分析有：
(2.2.1)
0 (2.2.2)
(2.2.3)
解得：，带入参数得H(S)=,A为放大倍数。

a.频率补偿50kHz部分：
由信号与系统与自动控制知识可知，需在新的系统中加频率为50kHz的极点，即新系统传递函数为：
(2.2.4)
对进行部分分式展开并分解得
(34100,83420分别为两个极点的角频率。

经换算得截止频率分别为50k,13.27k 由此可知50kHz频率补偿部分由截止频率为13.27k和50k的低通滤波器以及一个全通系统加入一个加法器组成
令中S=0,则=1-1.024+0.09，即50k低通后面需加一级放大倍数为
1.024的反向放大，13.27k低通后加一级衰减系数为0.09的反向放大及一级反相器。

由matlab仿真计算可得频率补偿的放大系数B=15.15，故加法器后还需接一级放大系数为15.15的放大，故最终总电路图见附图1。

b.频率补偿100kHz部分：
同理，传递函数=,则补偿部分传递函数
，经计算得13.37k部分衰减系数为0.038,50k部分放大为-1.005,最终加法器输出放大系数为30.1。

2.2.3电路图实现
频率补偿部分：
频率补偿电路是由一路13.27k、一路50k低通滤波、一路全通、加法器以及一路放大组成。

原理图见图5
由传递函数可得
(2.2.5) 由此可算出滤波电路的RC参数匹配
后级矫正电路：
在实际电路调试中，调试100k截止频率时实际截止频率达到了183k，不满足
100k的要求，于是我们在最后加了一级截止频率可调的低通滤波来滤除高于100k的频率来达到指标要求，为了保证输出电压增益为1，又考虑再加一级电压跟随器。

原理图见图6
图5 频率补偿电路
图6 后级矫正电路
A/D模块：
发挥部分要用单片机控制液晶显示，必须通过A/D转换使模拟信号转换为数字信号从而让单片机接收。

AD637是一款频带范围宽、精度高的真有效值转换器，故我们采用AD637来实现A/D模块。

由于单片机是3.3v及以下供电，所以A/D模块后面应接以及衰减，该模块原理如图如图7所示
图7 A/D模块
3.测试方案及测试数据
3.1测试仪器
⑴直流四路稳压电源
⑵合成函数信号发生器
⑶4位半通用万用表
⑷通用双踪示波器
3.2测试方法
分别测试前级电路，13.5k、50k和100k的低通滤波使之达到预设指标，然后再连通测试，微调电位器使之达到最终输出指标
3.3测试数据
表1 模拟模块
0.2 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 频率
（kHz）
幅度（v）10.00 9.60 9.40 9.00 8.80 8.40 7.80 7.20 7.04
0.2 5 15 35
频率
（kHz）
幅度(v) 10.00 11.8 9.8 8.8 8.8 11.6 5mv
频率
0.2 5 15 25 40 70
（kHz）
幅度（V）10.40 11.8 9.8 9.2 8.8 8.2 8.2 11.8 5mv 4.软件部分
由于本系统是纯硬件系统，无软件的设计，我们在完成基础部分及扩展部分
的基础上进一步通过软件编程实现输出幅度或频率的显示来完成扩展部分的设计，从而使本系统功能进一步完善提高。

软件流程图如图7
图8 软件流程图
5.误差分析
可能有以下原因：
㈠外界因素和电路内部有干扰；
㈡pcb布线影响；
㈢示波器或信号源显示的误差。

6.总结
此设计是通过信号与系统及自动控制相关知识设计计算出多级低通滤波与放大实现频率补偿功能，最终输出增益都能控制在以内，在规定频段内振幅波
动基本也能达到要求，由于使用的是TI提供的低噪声芯片OPA2227,故最终输出噪声基本能够控制在很小30mv范围内，达到了基本部分和扩展部分的指标要求。

在设计过程中我们碰到的最大问题就是截止频率的调试，前期理论计算是在系统中添加的新极点在实际电路中最终补偿后的截止频率始终不能达到50K或100k，在不断摸索与反复调试中发现实际补偿的新极点频率要大于理论值，实际大概比理论值大10-20k才能使输出截止频率达到50k或100k的指标。

附录
附图1 总体电路图
附图2 50k仿真
附图3 100k仿真
附图4 实物照片
11。