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本次設(shè)計(jì)是在詳細(xì)分析所給模擬模塊與設(shè)計(jì)任務(wù)的基礎(chǔ)上，采用NE5534運(yùn)算放大器作為核心芯片來(lái)構(gòu)造頻率補(bǔ)償電路從而達(dá)到頻率補(bǔ)償?shù)淖饔玫?。頻率補(bǔ)償電路由頻帶擴(kuò)展電路和低通濾波器組成，電路頻率補(bǔ)償運(yùn)用了自動(dòng)控制原理、模擬電子線路、信號(hào)與系統(tǒng)等的相關(guān)知識(shí)分析通過(guò)改變?cè)M傳感器特性的電路模塊的零極點(diǎn)分布實(shí)現(xiàn)提高-3dB高頻截止頻率，并通過(guò)matlab仿真計(jì)算出正確的系數(shù)保證輸入基準(zhǔn)信號(hào)在通頻帶范圍內(nèi)并且無(wú)失真輸出。通過(guò)以上分析得出補(bǔ)償電路由放大電路以及兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過(guò)并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞接靡粋€(gè)加法器將三部分相加即可將頻率拓展至100kHz并且達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，最后通過(guò)一個(gè)反相放大器進(jìn)行信號(hào)的放大使幅度達(dá)到要求。
1.2頻率補(bǔ)償電路
方案一：自動(dòng)增益控制（AGC）
自動(dòng)增益控制電路可以使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整，它擁有自動(dòng)控制穩(wěn)定輸出的能力，可以把所給的模擬傳感器特性的電路模塊的衰減幅度以穩(wěn)定的電壓來(lái)輸出，可以通過(guò)放大電路來(lái)提升已經(jīng)衰減了的電壓之后可以通過(guò)低通濾波器來(lái)達(dá)到截止頻率的要求，這樣就可以實(shí)現(xiàn)我們所需要的頻率補(bǔ)償功能。
方案二：系統(tǒng)傳遞函數(shù)及零極點(diǎn)并聯(lián)補(bǔ)償法
計(jì)算出模擬模塊的傳遞函數(shù)H0（s），通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H（s）可以計(jì)算出我們需要設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H1（s），根據(jù)H1（s）的特性得出頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)。由所給題目可以知道總體的系統(tǒng)等效于一個(gè)低通濾波器，可以得出頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)部分主要是低通濾波器。信號(hào)經(jīng)模擬模塊部分可變?yōu)榉茸兓^小的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算可以得出頻率補(bǔ)償電路為一個(gè)放大環(huán)節(jié)與兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)并聯(lián)輸入加法器疊加后的信號(hào)在之后經(jīng)過(guò)放大器放大便可以輸出符合要求的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。 方案三：零極點(diǎn)串聯(lián)補(bǔ)償法
計(jì)算出模擬模塊的傳輸函數(shù)H0（s），推算出系統(tǒng)增益為常量時(shí)的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)H2（s），根據(jù)H2（s）的特性算出頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)。將其轉(zhuǎn)換為幾個(gè)系統(tǒng)相乘的形式，然后分別構(gòu)造各個(gè)乘積項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的電路系統(tǒng)，將它們通過(guò)串聯(lián)的模式連接并放大同樣可以使輸出符合要求的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償。
方案論證：
從理論上看，方案一輸出幅度的文波系數(shù)較小，信號(hào)穩(wěn)定，可以更好的實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，但由于方案一容易產(chǎn)生自激振蕩，且要求輸入的控制信號(hào)十分穩(wěn)定；方案三在理論上與實(shí)際電路中都比較難實(shí)現(xiàn)；方案二在理論計(jì)算與實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中都比方案二要容易實(shí)現(xiàn)，并且在方案二中利用NE5534運(yùn)算放大器完全可以達(dá)到要求。
綜合考慮以上幾種情況，我們選擇了方案二，即零極點(diǎn)的并聯(lián)頻率補(bǔ)償法。
2.1、 模擬電路模塊設(shè)計(jì)
由所給題目可以知道該模塊是模擬某傳感器特性的電路模塊，在運(yùn)算放大器的選擇上我們選擇的是NE5534，其完全可以滿足本次的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在電阻的選擇上選擇誤差較小的電阻。在輸入端利用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇接地與接輸入信號(hào)源。其原理圖如下圖3
2.2、 頻率補(bǔ)償電路
由題目要求可以知道模擬電路模塊的截止頻率為kHzk5.05.4?，要求將截止頻率擴(kuò)展提高到50kHz或者100kHz，即頻率補(bǔ)償電路要改變模擬電路模塊衰減的幅度，通過(guò)信號(hào)與系統(tǒng)及自動(dòng)控制原理的相關(guān)知識(shí)可以知道，我們可以通過(guò)改變系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)來(lái)達(dá)到頻率補(bǔ)償?shù)墓δ?，其系統(tǒng)框圖入下圖3所示
圖 3頻率補(bǔ)償電路系統(tǒng)框圖
2.3、 設(shè)計(jì)原理
在本次的設(shè)計(jì)中，根據(jù)題目的要求，從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)出發(fā)，通過(guò)計(jì)算增加新的零極點(diǎn)，改變?cè)瓉?lái)的零極點(diǎn)以達(dá)到改變整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的目的來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
在設(shè)計(jì)中，我們利用逆系統(tǒng)的思想，采用零極點(diǎn)對(duì)消，將原來(lái)系統(tǒng)先通過(guò)逆系統(tǒng)變成理想傳輸將已知的模擬電路模塊看作一個(gè)系統(tǒng)H0（s），H1（s）是我們需要設(shè)計(jì)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，最終我們需要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能的傳遞函數(shù)為H（s），整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為H（s）=H0（s）H1（s），則補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為
計(jì)算出式（2）中各個(gè)參數(shù)之后將其輸入matlab中，利用residue語(yǔ)句將其部分分式展開(kāi)成為幾個(gè)分式相加的形式。這樣補(bǔ)償系統(tǒng)可以用三個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的并聯(lián)來(lái)表示，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到頻率補(bǔ)償系統(tǒng)是由一個(gè)放大系統(tǒng)以及兩個(gè)慣性系統(tǒng)的并聯(lián)，這三個(gè)系統(tǒng)都可以用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并聯(lián)可以通過(guò)加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。
2.5電路圖實(shí)現(xiàn)
通過(guò)計(jì)算可以得到頻率補(bǔ)償電路由一個(gè)放大環(huán)節(jié)以及兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)相加得到，并聯(lián)可以通過(guò)加法器得以實(shí)現(xiàn)，所以頻率補(bǔ)償部分的電路圖如下圖6所示
圖 6頻率補(bǔ)償系統(tǒng)電路圖
圖6的頻率補(bǔ)償電路可使輸出信號(hào)的頻率達(dá)到題目要求，在這之后將其輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè)反相放大器后可使其幅度達(dá)到題目要求。反相放大電路如下圖7所示
3、系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)分析
?。?） 測(cè)試條件
環(huán)境溫度25℃
?。?）測(cè)試儀器 1） 直流穩(wěn)壓電源
2） DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 3） 數(shù)字萬(wàn)用表 4）
通用雙蹤示波器
?。?） 測(cè)試方法
? 首先測(cè)試所給模擬電路模塊是否達(dá)到所給指標(biāo)
1） 調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使其輸出頻率為200Hz，峰峰值為10V的信號(hào)，將此信號(hào)輸入所給模擬模塊中利用示波器檢測(cè)所給模擬電路模塊輸出信號(hào)，并且觀察是否失真，記錄下當(dāng)前輸出幅值；
2） 由記錄的輸出電壓幅值乘以0.707得出-3dB帶寬電壓，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)輸入信號(hào)頻率后通過(guò)示波器測(cè)試其-3dB帶寬并記錄數(shù)據(jù)；經(jīng)測(cè)量，輸出信號(hào)無(wú)明顯失真，-3dB帶寬為4.708kHz，達(dá)到題目要求 ? 接著測(cè)試頻率補(bǔ)償電路是否達(dá)到指標(biāo)
1） 調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使其輸出頻率為200Hz，峰峰值為10V的信號(hào)，將其輸入模擬電路模塊、頻率補(bǔ)償電路和反相放大器中，調(diào)節(jié)放大器使電壓增益達(dá)到1±0.5的條件，并且記錄下當(dāng)前的幅值；
2） 由記錄下的幅值乘以0.707得到-3dB帶寬電壓，調(diào)節(jié)R1，R2，R3，R4記錄下A（f）的波動(dòng)情況及-3dB截至頻率變化情況，記錄如下表格1；
3） 通過(guò)調(diào)節(jié)所得的R1，R2，R3，R4的變化情況調(diào)節(jié)電位器得到A（f）的波動(dòng)情況及-3dB截至頻率變化情況最好的值后測(cè)試頻率特性，記錄數(shù)據(jù)如下表格2；
4）將撥碼開(kāi)關(guān)切換到接地端，通過(guò)示波器測(cè)量輸出波形，計(jì)算出噪聲均方根電壓，記錄到表2
4. 誤差分析
可能有以下幾個(gè)原因會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差：
1） 外界的環(huán)境因素與內(nèi)部電路影響會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差； 2） PCB圖在布線中也會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差； 3） 示波器與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器本身存在誤差
5 參考文獻(xiàn)
謝自美，《電子線路設(shè)計(jì)?實(shí)驗(yàn)?測(cè)試》（第三版）。華中科技大學(xué)出版社，2011 康華光，《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版）。高等教育出版社，2005
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論