CN116735936B - 一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，涉及宽频带电阻分压器技术领域，包括依次连接的阶跃发生器、宽频带电路分压器、采样保持器、单刀双掷模拟开关、过零检测器和数字电位器，阶跃发生器的输入是一个时钟信号，采样保持器的输出端和小于0V的恒定电压Vm分别作为单刀双掷模拟开关的输入，数字电位器的输出端与宽频带电阻分压器中的压控电容连接。本发明采用上述结构的一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，通过电容补偿减少寄生元件对宽频带电阻分压器频率特性的影响，实现在宽频率范围内平坦的频率响应。
Description
技术领域
本发明涉及宽频带电阻分压器技术领域，尤其是涉及一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路。
背景技术
宽频带电阻分压器被广泛应用于交流电压和功率测量中。然而，现有的宽频带电阻分压器在高频范围内的增益平坦度存在问题，这是由于寄生元件引起的阻抗不匹配导致的。这种阻抗不匹配会导致高频增益与设计值存在明显偏差，从而影响了宽频带电阻分压器的准确性和可靠性。
目前已有一些关于改善宽频带电阻分压器频率响应平坦度的方法。一种方法是通过仔细选择电阻和电容元件来实现阻抗匹配，以消除或减小寄生参数对频率特性的影响。然而，这种方法需要花费大量的时间和精力，并且由于元件电容的公差较大，其准确性受到限制。另一种方法是添加可调元件，如可变电容器或可变电阻器，来修整频率特性。这种方法可以通过调整可变元件的参数来改善增益平坦度。通过适当调整嵌入在宽频带电阻分压器低压臂上的可变电容器，电压分压器的频率响应平坦度可以提高约2.25倍。但是这种方法没有克服电压分压器频率特性可能因环境变化而产生的变化。一旦环境温度发生变化，由于元件电容的热稳定性较差，电压分压器增益将发生漂移，这可能会破坏良好调整的频率特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，通过电容补偿减少寄生元件对宽频带电阻分压器频率特性的影响，实现在宽频率范围内平坦的频率响应。
为实现上述目的，本发明提供了一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，包括阶跃发生器、宽频带电路分压器、采样保持器、单刀双掷模拟开关、过零检测器和数字电位器，阶跃发生器的输入是一个时钟信号，阶跃发生器的输出端与宽频带电阻分压器的输入端连接；宽频带电阻分压器的输出端与采样保持器的输入端连接；采样保持器的输出端和小于0V的恒定电压分别作为单刀双掷模拟开关的输入，单刀双掷模拟开关的输出端连接到过零检测器的输入端；过零检测器的输出端与数字电位器的输入端连接；数字电位器的输出端与宽频带电阻分压器中的压控电容连接。
优选的，宽频带电路分压器中的低压臂并联一个压控电容，压控电容的控制电压由数字电位器提供。
优选的，采样保持器包括两个相同的运算放大器和一个电容器，第一个运算放大器的同相输入端连接宽频带电阻分压器的输出端，反相输入端与输出端连接；第二个运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，反相输入端与输出端连接；电容器的一端接地，另一端与第二个运算放大器的同相端连接。
优选的，过零检测器包括运算放大器、阻抗元件R2、阻抗元件R3、阻抗元件R4、场效应管、稳压二极管，运算放大器的同相端接入采样保持器的输出信号，反相端接地；阻抗元件R2、阻抗元件R3串联在运算放大器的输出端与场效应管之间；场效应管的一端经过阻抗元件R4与恒定电压连接，第二端接地，场效应管与数字电位器之间设置有复位开关；稳压二极管的阴极接在阻抗元件R3与阻抗元件R3之间，阳极接地。
因此，本发明采用上述结构的一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，通过电容补偿减少寄生元件对宽频带电阻分压器频率特性的影响，实现在宽频率范围内平坦的频率响应；通过对闭环控制电路中时钟信号的协调控制改变宽频电阻分压器的响应模式，产生所需的最大平坦响应。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路实施例的电路原理图；
图2为本发明实施例的宽频带电阻分压器集总参数模型图；
图3为本发明实施例的宽频带电阻分压器的等效电路模型图；
图4为本发明实施例的采样保持器的电路原理图；
图5为本发明实施例的宽频带电阻分压器对补偿电容的三个不同值的阶跃响应图；
图6是本申请实施例的电路自动调整时序图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例
如图1所示，一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，包括阶跃发生器、宽频带电路分压器、采样保持器、单刀双掷模拟开关、过零检测器和数字电位器。
阶跃发生器的输入是一个时钟信号，阶跃发生器的输出端与宽频带电阻分压器的输入端连接。在时钟信号/>的驱动下，阶跃发生器产生所需的阶跃输入电压/>，其中/>为单位阶跃函数，/>为阶跃电压幅值。
宽频带电阻分压器的输出端与采样保持器的输入端连接；宽频带电路分压器中的低压臂并联一个压控电容，压控电容的控制电压由数字电位器提供。宽频带电阻分压器的等效电路模型如图3所示。
采样保持器的输出端和小于0V的恒定电压分别作为单刀双掷模拟开关的输入，恒定电压/>与单刀双掷模拟开关之间设置有阻抗元件R1。单刀双掷模拟开关的输出端连接到过零检测器的输入端。
如图4所示，采样保持器包括两个相同的运算放大器和一个电容器，第一个运算放大器的同相输入端连接宽频带电阻分压器的输出端，反相输入端与输出端连接；第二个运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，反相输入端与输出端连接；电容器的一端接地，另一端与第二个运算放大器的同相端连接。
过零检测器的输出端与数字电位器的输入端连接。过零检测器包括运算放大器、阻抗元件R2、阻抗元件R3、阻抗元件R4、场效应管、稳压二极管，运算放大器的同相端接入采样保持器的输出信号，反相端接地；阻抗元件R2、阻抗元件R3串联在运算放大器的输出端与场效应管之间；场效应管的一端经过阻抗元件R4与恒定电压连接，第二端接地，场效应管与数字电位器之间设置有复位开关；稳压二极管的阴极接在阻抗元件R3与阻抗元件R3之间，阳极接地。过零检测器将采样值/>与0 V电压进行比较，比较结果确定用于控制平坦度调节数字电位器输出的数字信号D的下降沿数。
数字电位器将模拟信号转换为数字信号D，数字电位器的输出端与宽频带电阻分压器中的压控电容连接。数字电位器是一种非易失性微调数字电位器芯片，用于产生控制电压/>，该芯片有高压端子(H)、低压端子(L)和输出电压端子(W)三个电压端子，连接在W端子上的电刷通过三端子端口操纵在L端子和H端子之间移动。三端端口由控制输入/>、/>和/>组成，其中/>为芯片选择输入，用于激活数字电位器,/>为电刷移动控制输入，用于在/>引脚低且落边触发时提供电刷位置变化，/>上下控制输入，用于设置电刷移动方向。当调整回路进入稳定状态时，电刷停止移动，/>稳定在恒定电压。
电位器芯片的非易失性被用来确保稳定的在每次上电期间保持不变。复位开关用于在随后的每次周期性调整中重置数字电位器。通过重置数字电位器，刮刀将返回到对应/>的一端，使得宽频带电阻分压器中的压控电容在每次平坦度调整中，从其初始电容(即对应0 V的电容)开始调整。
压控电容是一种可变电容芯片，芯片的控制侧独立于信号路径，其电容C与控制电压近似线性关系如下：
；
其中是电容与外加控制电压的常数，/>是/>时的电容(即/>)。
对于数字电位器芯片，当接地，/>接电源/>，则/>可表示为：
；
其中，为数字电位器接点个数，/>为电刷与L端子之间接点个数。
通过并联分压器高压臂的电容C1、并联低压臂的恒电容C2和可变电容C进行电容补偿，可以减少寄生元件对宽频带电阻分压器频率特性的影响，实现在宽频率范围内平坦的频率响应，得到带电容补偿的宽频带电阻分压器集总参数模型如图2所示。
图3是与图2所示宽频带电阻分压器等效的电路模型，是由电阻单元/>到组成的高电阻。/>是补偿电容/>与高压臂寄生电容得到的低等效电容。/>是低电阻。/>是补偿电容/>与低压臂寄生电容得到的高等效电容。C为可变补偿电容。/>和分别是宽频带电阻分压器的输入和输出信号。
将等效模型视为一阶电路，用一阶微分方程分析其阶跃响应。当阶跃输入时，电路响应的初始值为/>，稳态输出为/>，时间常数为/>。电路的三元法公式表示为：
；
其中，
；
；
；
宽频带电阻分压器的阶跃响应可以表示为：
；
通过调整可变电容C来改变初始值可以产生如图5所示的三个不同的阶跃响应。补偿不足，即/>时，引起过冲响应，而补偿过度，即时，引起欠冲响应。当适当调整C，满足最优补偿时，即可以对阶跃输入信号产生最大平坦度的响应。
基于上述的闭环控制电路来调整宽频带电阻分压器频率响应平坦度的方法为，给定阶跃输入后，基于特定延迟的采样来调整宽频带电阻分压器的频率特性。
图1所示的闭环控制电路部分节点电压波形如图6所示。阶跃发生器产生所需的阶跃输入电压，然后经由宽频带电阻分压器将该阶跃电压衰减为图6中所示的波形。采样保持器在阶跃输入后以/>的延时采样阶跃输出/>，其中/>的选择直接影响环路调整性能。采样保持器的启动时钟信号为/>。为了获得无失真的阶跃输出，/>应尽可能小。但为避免采样点超前于阶跃输出/>造成误采样，/>应大于分压器和输入电压跟随器在采样保持器中的传播延迟。
将采样保持器的输出和恒定电压/>连接到单刀双掷模拟开关上，采样保持器的启动时钟信号为/>，单刀双掷模拟开关在采样后延时/>关闭，在过零检测器的正输入端形成一个矩形波/>，/>进一步由过零检测器转换成数字信号D，送入数字电位器。当处于高状态，/>处于低状态时，数字电位器的电刷在信号/>的下降沿向上移动，因此，/>随着/>的增加以/>阶跃增加。当/>从正电压逐渐下降到过零，/>将保持高状态，导致/>停止增加并保持不变。数字电位器输出的控制电压改变压控电容的电容值，以产生所需的最大平坦响应。
正确设置时钟信号、/>和/>之间的定时关系，即可使使环路正常工作。通过上述的负反馈回路，宽频带电阻分压器的初始欠冲响应可以自动调整为无失真响应。
由图6可知，调整时间小于，其中/>为一个调节周期的控制周期。当/>从初始值0逐渐增大到最终值/>时，调整周期最长。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种宽频带电阻分压器频响平坦度的闭环控制电路，其特征在于：包括阶跃发生器、宽频带电路分压器、采样保持器、单刀双掷模拟开关、过零检测器和数字电位器，阶跃发生器的输入是一个时钟信号，阶跃发生器的输出端与宽频带电阻分压器的输入端连接；宽频带电路分压器中的低压臂并联一个压控电容，压控电容的控制电压由数字电位器的输出端提供，宽频带电阻分压器的输出端与采样保持器的输入端连接；
采样保持器包括两个相同的运算放大器和一个电容器，第一个运算放大器的同相输入端连接宽频带电阻分压器的输出端，反相输入端与输出端连接；第二个运算放大器的同相输入端连接第一运算放大器的输出端，反相输入端与输出端连接；电容器的一端接地，另一端与第二个运算放大器的同相端连接；采样保持器的输出端和小于0V的恒定电压Vm分别作为单刀双掷模拟开关的输入，单刀双掷模拟开关的输出端连接到过零检测器的输入端；
过零检测器的输出端与数字电位器的输入端连接；过零检测器包括运算放大器、阻抗元件R2、阻抗元件R3、阻抗元件R4、场效应管、稳压二极管，运算放大器的同相端接入采样保持器的输出信号，反相端接地；阻抗元件R2、阻抗元件R3串联在运算放大器的输出端与场效应管之间；场效应管的一端经过阻抗元件R4与恒定电压Vc连接，第二端接地，场效应管与数字电位器之间设置有复位开关；稳压二极管的阴极接在阻抗元件R3与阻抗元件R3之间，阳极接地。
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