基于NE5534运算放大器的频率补偿电路设计

　　本次设计是在详细分析所给模拟模块与设计任务的基础上，采用NE5534运算放大器作为核心芯片来构造频率补偿电路从而达到频率补偿的作用的。频率补偿电路由频带扩展电路和低通滤波器组成，电路频率补偿运用了自动控制原理、模拟电子线路、信号与系统等的相关知识分析通过改变原模拟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，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并且无失真输出。通过以上分析得出补偿电路由放大电路以及两个惯性环节构成，通过并联补偿的方式用一个加法器将三部分相加即可将频率拓展至100kHz并且达到设计的要求，最后通过一个反相放大器进行信号的放大使幅度达到要求。

　

　　1.2频率补偿电路

　　方案一：自动增益控制（AGC）

　　自动增益控制电路可以使放大电路的增益自动地随信号强度而调整，它拥有自动控制稳定输出的能力，可以把所给的模拟传感器特性的电路模块的衰减幅度以稳定的电压来输出，可以通过放大电路来提升已经衰减了的电压之后可以通过低通滤波器来达到截止频率的要求，这样就可以实现我们所需要的频率补偿功能。

　　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递函数H0（s），通过整个系统的传递函数H（s）可以计算出我们需要设计的电路系统的传递函数H1（s），根据H1（s）的特性得出频率补偿网络的电路结构。由所给题目可以知道总体的系统等效于一个低通滤波器，可以得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，通过计算可以得出频率补偿电路为一个放大环节与两个惯性环节并联输入加法器叠加后的信号在之后经过放大器放大便可以输出符合要求的信号，实现频率补偿。 方案三：零极点串联补偿法

　　计算出模拟模块的传输函数H0（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）的特性算出频率补偿网络的电路结构。将其转换为几个系统相乘的形式，然后分别构造各个乘积项所对应的电路系统，将它们通过串联的模式连接并放大同样可以使输出符合要求的信号，从而实现频率补偿。

　　方案论证：

　　从理论上看，方案一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，但由于方案一容易产生自激振荡，且要求输入的控制信号十分稳定；方案三在理论上与实际电路中都比较难实现；方案二在理论计算与实际电路的设计中都比方案二要容易实现，并且在方案二中利用NE5534运算放大器完全可以达到要求。

　　综合考虑以上几种情况，我们选择了方案二，即零极点的并联频率补偿法。

　　2、硬件电路设计

　　2.1、 模拟电路模块设计

　　由所给题目可以知道该模块是模拟某传感器特性的电路模块，在运算放大器的选择上我们选择的是NE5534，其完全可以满足本次的设计要求，同时在电阻的选择上选择误差较小的电阻。在输入端利用拨码开关来选择接地与接输入信号源。其原理图如下图3

　　

　　2.2、 频率补偿电路

　　由题目要求可以知道模拟电路模块的截止频率为kHzk5.05.4?，要求将截止频率扩展提高到50kHz或者100kHz，即频率补偿电路要改变模拟电路模块衰减的幅度，通过信号与系统及自动控制原理的相关知识可以知道，我们可以通过改变系统的传递函数的零极点来达到频率补偿的功能，其系统框图入下图3所示

　　图 3频率补偿电路系统框图

　　2.3、 设计原理

　　在本次的设计中，根据题目的要求，从系统的传递函数出发，通过计算增加新的零极点，改变原来的零极点以达到改变整个系统的传递函数的目的来达到设计的目标。

　　在设计中，我们利用逆系统的思想，采用零极点对消，将原来系统先通过逆系统变成理想传输将已知的模拟电路模块看作一个系统H0（s），H1（s）是我们需要设计的补偿网络，最终我们需要实现的系统功能的传递函数为H（s），整个系统的传递函数为H（s）=H0（s）H1（s），则补偿网络的传递函数为

　

　　

　　计算出式（2）中各个参数之后将其输入matlab中，利用residue语句将其部分分式展开成为几个分式相加的形式。这样补偿系统可以用三个简单的系统的并联来表示，经过计算可以得到频率补偿系统是由一个放大系统以及两个惯性系统的并联，这三个系统都可以用运算放大器来实现，并联可以通过加法器来实现。其系统框图如图3所示。

　　2.5电路图实现

　　通过计算可以得到频率补偿电路由一个放大环节以及两个惯性环节相加得到，并联可以通过加法器得以实现，所以频率补偿部分的电路图如下图6所示

　

　　图 6频率补偿系统电路图

　　图6的频率补偿电路可使输出信号的频率达到题目要求，在这之后将其输出信号通过一个反相放大器后可使其幅度达到题目要求。反相放大电路如下图7所示

　

　　3、系统调试及数据分析

　　（1） 测试条件

　　环境温度25℃

　　（2）测试仪器 1） 直流稳压电源

　　2） DDS函数信号发生器 3） 数字万用表 4）

　　通用双踪示波器

　　（3） 测试方法

　　? 首先测试所给模拟电路模块是否达到所给指标

　　1） 调节函数信号发生器，使其输出频率为200Hz，峰峰值为10V的信号，将此信号输入所给模拟模块中利用示波器检测所给模拟电路模块输出信号，并且观察是否失真，记录下当前输出幅值；

　　2） 由记录的输出电压幅值乘以0.707得出-3dB带宽电压，通过信号发生器调节输入信号频率后通过示波器测试其-3dB带宽并记录数据；经测量，输出信号无明显失真，-3dB带宽为4.708kHz，达到题目要求 ? 接着测试频率补偿电路是否达到指标

　　1） 调节函数信号发生器，使其输出频率为200Hz，峰峰值为10V的信号，将其输入模拟电路模块、频率补偿电路和反相放大器中，调节放大器使电压增益达到1±0.5的条件，并且记录下当前的幅值；

　　2） 由记录下的幅值乘以0.707得到-3dB带宽电压，调节R1，R2，R3，R4记录下A（f）的波动情况及-3dB截至频率变化情况，记录如下表格1；

　　3） 通过调节所得的R1，R2，R3，R4的变化情况调节电位器得到A（f）的波动情况及-3dB截至频率变化情况最好的值后测试频率特性，记录数据如下表格2；

　　4）将拨码开关切换到接地端，通过示波器测量输出波形，计算出噪声均方根电压，记录到表2

　　4. 误差分析

　　可能有以下几个原因会产生系统误差：

　　1） 外界的环境因素与内部电路影响会产生系统误差； 2） PCB图在布线中也会产生系统误差； 3） 示波器与函数信号发生器本身存在误差

　　5 参考文献

　　谢自美，《电子线路设计•实验•测试》（第三版）。华中科技大学出版社，2011 康华光，《电子技术基础》（第五版）。高等教育出版社，2005