圖 1:基本反相模擬積分器包含一個(gè)運(yùn)算放大器,并且在反饋路徑上有一個(gè)電容器。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
發(fā)布時(shí)間:2020-10-09 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】在電子世界走向數(shù)字化之前,基于微分方程求解的控制系統(tǒng)使用模擬計(jì)算來(lái)解方程。因此,模擬計(jì)算機(jī)相當(dāng)普遍,因?yàn)閹缀跛形⒎址匠痰那蠼舛夹枰獙?duì)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算的能力。雖然控制系統(tǒng)大多都已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,并且數(shù)值積分也已取代模擬積分,但在傳感器、信號(hào)生成和濾波的運(yùn)算方面,仍然需要模擬積分器電路。
在電子世界走向數(shù)字化之前,基于微分方程求解的控制系統(tǒng)使用模擬計(jì)算來(lái)解方程。因此,模擬計(jì)算機(jī)相當(dāng)普遍,因?yàn)閹缀跛形⒎址匠痰那蠼舛夹枰獙?duì)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算的能力。雖然控制系統(tǒng)大多都已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,并且數(shù)值積分也已取代模擬積分,但在傳感器、信號(hào)生成和濾波的運(yùn)算方面,仍然需要模擬積分器電路。這些應(yīng)用使用基于運(yùn)算放大器的積分器,并在反饋回路中帶有電容元件,以便為低功耗應(yīng)用提供必要的信號(hào)處理。
盡管實(shí)用性仍然很重要,但許多設(shè)計(jì)人員可能會(huì)輕易忽略。本文概述了積分器電路,并以 Texas Instruments 的幾個(gè)產(chǎn)品為例,就正確設(shè)計(jì)、元器件選擇和最佳實(shí)踐提供指導(dǎo),以實(shí)現(xiàn)卓越性能。
基本反相積分器
經(jīng)典的模擬積分器采用運(yùn)算放大器,并且以電容器作為反饋元件(圖 1)。
圖 1:基本反相模擬積分器包含一個(gè)運(yùn)算放大器,并且在反饋路徑上有一個(gè)電容器。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
積分器的輸出電壓 VOUT 是輸入電壓 V IN 的函數(shù),可以使用公式 1 計(jì)算。
基本反相積分器的增益系數(shù)是 -1/RC,該系數(shù)可應(yīng)用到輸入電壓積分。實(shí)際上,積分器所用的電容器應(yīng)具有小于 5% 的容差和低溫度漂移。聚酯電容器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在關(guān)鍵路徑位置應(yīng)使用公差為 ±0.1% 的電阻器。
該電路存在局限性,因?yàn)樵谥绷飨?,電容器代表開(kāi)路,增益會(huì)無(wú)窮大。在工作電路中,根據(jù)非零直流輸入的極性,輸出將傳輸?shù)秸娫窜壔蜇?fù)電源軌。這可以通過(guò)限制積分器的直流增益來(lái)糾正(圖 2)。
圖 2:在反饋電容器上并聯(lián)一個(gè)大電阻可限制直流增益,從而得到一個(gè)實(shí)用的積分器。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
在反饋電容器上并聯(lián)一個(gè)高阻值電阻器 (RF),可將基本積分器的直流增益限制為 -RF/R 值,從而得到一個(gè)實(shí)用的器件。這種添加法解決了直流增益問(wèn)題,但卻限制了積分器的工作頻率范圍。觀察真實(shí)電路有助于理解此限制(圖 3)。
圖 3:使用真實(shí)元器件的實(shí)用積分器 TINA-TI 仿真。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
該電路使用 Texas Instruments 的 LM324 運(yùn)算放大器。LM324 是一款優(yōu)異的通用運(yùn)算放大器,具有低輸入偏置電流(典型值 45 nA)、低失調(diào)電壓(典型值 2 mV)和 1.2 MHz 的增益帶寬積。電路輸入由仿真器的函數(shù)發(fā)生器以 500 Hz 的方波驅(qū)動(dòng)。這在仿真器示波器上顯示為上方跡線。電路會(huì)對(duì)方波進(jìn)行積分,并輸出一個(gè) 500 Hz 的三角函數(shù),如示波器的下方跡線所示。
直流增益為 -270 kΩ/75 kΩ 或 -3.6 或 11 dB;這從電路的傳遞函數(shù)可以看出,如圖 3 的右下網(wǎng)格所示。從約 100 Hz 至約 250 kHz,頻率響應(yīng)按 -20 dB/ 十倍頻程滾降。這是積分器工作的有用頻率范圍,并且與運(yùn)算放大器增益帶寬積有關(guān)。
Texas Instruments 的 TLV9002 是新近推出的運(yùn)算放大器。這款 1 MHz 增益帶寬放大器具有 ±0.4 mV 的輸入失調(diào)電壓和 5 pA 的極低偏置電流。作為一款 CMOS 放大器,它適用于各種低成本便攜式應(yīng)用。
對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),務(wù)必要記住,積分器是一種累積器件。因此,如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償,輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓會(huì)導(dǎo)致電容器電壓隨著時(shí)間的推移而增加或減少。在此應(yīng)用中,輸入偏置電流和失調(diào)電壓相對(duì)較低,并且輸入電壓會(huì)迫使反饋電容器定期放電。
在使用累積功能的應(yīng)用中,例如在測(cè)量電荷時(shí),在積分器中必須有一種機(jī)制來(lái)重置電壓并建立初始條件。Texas Instruments 的 ACF2101BU 就具有這種機(jī)制。它是一款雙開(kāi)關(guān)積分器,集成了一個(gè)內(nèi)置開(kāi)關(guān)以對(duì)反饋電容器放電。由于該器件適用于需要電荷累積的應(yīng)用,因此具有 100 fA 的極低偏置電流,典型偏置電壓為 ±0.5 mV。
Texas Instruments 的 IVC102U 是一款類似的開(kāi)關(guān)積分器 / 跨阻放大器。該器件與 ACF2101BU 的應(yīng)用范圍相同,但不同的是,每個(gè)封裝包含單個(gè)器件。此外,還具有三個(gè)內(nèi)部反饋電容器。其中包含對(duì)電容器組放電和連接輸入源的開(kāi)關(guān),因此設(shè)計(jì)人員能夠控制積分周期并包括保持操作,以及對(duì)電容器上的電壓放電。
非反相積分器
基本積分器將信號(hào)的積分反相。雖然與基本積分器串聯(lián)的第二個(gè)反相運(yùn)算放大器可以恢復(fù)原來(lái)的相位,但也可以在單級(jí)中設(shè)計(jì)一個(gè)非反相積分器(圖 4)。
圖 4:基于差分放大器運(yùn)算放大器配置的非反相積分器可以確保輸出相位與輸入相位匹配。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
非反相版本的積分器使用差分積分器來(lái)保持輸出與輸入信號(hào)同相位。這種設(shè)計(jì)額外增加了無(wú)源元器件,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行匹配以實(shí)現(xiàn)最佳性能。輸入和輸出電壓之間的關(guān)系與基本積分器相同,只是符號(hào)不同,如公式 2 所示:
通過(guò)使用傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器電路,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基本積分器進(jìn)行其他調(diào)整。例如,可以添加多個(gè)電壓輸入(V1、V2、V3…),只要通過(guò)各自的輸入電阻(即 R1、R2、R3…)加到運(yùn)算放大器的非反相輸入。此加法積分器的最終輸出使用公式 3 計(jì)算:
如果 R1=R2=R3=R,則使用公式 4 計(jì)算輸出:
輸出是輸入之和的積分。
一些常見(jiàn)的積分器應(yīng)用
過(guò)去,積分器一直用于微分方程求解。例如,機(jī)械加速度是其速度的變化率或?qū)?shù)。速度是位移的導(dǎo)數(shù)。積分器可用于獲取加速計(jì)的輸出并對(duì)其進(jìn)行一次積分運(yùn)算,以讀取速度。如果速度信號(hào)進(jìn)行了積分運(yùn)算,則輸出就是位移。這意味著通過(guò)使用積分器,單個(gè)傳感器的輸出可產(chǎn)生三個(gè)不同的信號(hào):加速度、速度和位移(圖 5)。
圖 5:使用雙積分器,設(shè)計(jì)人員可以從加速計(jì)產(chǎn)生加速度、速度和位移讀數(shù)。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
加速計(jì)的輸入經(jīng)過(guò)積分和濾波,得到速度。速度經(jīng)過(guò)積分和濾波,可得到位移。請(qǐng)注意,所有輸出均為交流耦合。這樣一來(lái),就不再需要處理每個(gè)積分器的初始條件。
函數(shù)發(fā)生器
函數(shù)發(fā)生器可輸出多種波形,可以由多個(gè)積分器構(gòu)成(圖 6)。
圖 6:使用三個(gè) LM324 級(jí)設(shè)計(jì)的函數(shù)發(fā)生器。OP1 是產(chǎn)生方波的張弛振蕩器;OP2 是將方波轉(zhuǎn)換為三角波的積分器;OP3 是另一個(gè)積分器,用作低通濾波器以消除三角波的諧波,從而產(chǎn)生正弦波。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
函數(shù)發(fā)生器圍繞 LM324 設(shè)計(jì),而 LM324 是前面討論的實(shí)用積分器。在該設(shè)計(jì)中,使用了三個(gè) LM324 運(yùn)算放大器,如 TINA-TI 仿真所示。第一級(jí) OP1 用作張弛振蕩器,并以 C1 和電位計(jì) P1 確定的頻率產(chǎn)生方波輸出。連接的第二級(jí) OP2 為積分器,將方波轉(zhuǎn)換為三角波。連接的最后一級(jí) OP3 為積分器,但用作低通濾波器。該濾波器去除三角波中的所有諧波,并輸出基頻正弦波。每級(jí)的輸出顯示在圖 6 右下方的仿真器示波器中。
羅氏線圈
羅氏線圈是一類電流傳感器,其利用纏繞在被測(cè)載流導(dǎo)體上的柔性線圈測(cè)量交流電源。它們用于測(cè)量高速電流瞬變、脈沖電流或 50/60 Hz 線路功率。
羅氏線圈執(zhí)行的功能類似于電流互感器。主要區(qū)別在于羅氏線圈使用的是空芯,而不是電流互感器中使用的磁芯。空芯具有較低的插入阻抗,從而在測(cè)量大電流時(shí)響應(yīng)更快且沒(méi)有飽和效應(yīng)。羅氏線圈非常易于使用(圖 7)。
圖 7:簡(jiǎn)化示意圖顯示了羅氏線圈在載流導(dǎo)體上的安裝(左)和此設(shè)置的等效電路(右)。(圖片來(lái)源:LEM USA)
羅氏線圈如 LEM USA 的 ART-B22-D300,簡(jiǎn)單地纏繞在載流導(dǎo)體上,如圖 7 左側(cè)所示。羅氏線圈的等效電路如右圖所示。請(qǐng)注意,線圈的輸出與被測(cè)電流的導(dǎo)數(shù)成正比。積分器可用于提取感測(cè)到的電流。
羅氏線圈積分器的參考設(shè)計(jì)如圖 8 所示。此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是具有 0.5 至 200 A 范圍的高精度輸出(精度為 0.5%),以及相同電流范圍的快速建立輸出(不到 15 ms 時(shí)間內(nèi)的精度在 1% 以內(nèi))。
圖 8:此羅氏線圈積分器的參考設(shè)計(jì)使用 Texas Instruments 的 OPA2188,作為設(shè)計(jì)積分器元件中的主運(yùn)算放大器。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)
此參考設(shè)計(jì)使用 Texas Instruments 的 OPA2188,作為設(shè)計(jì)積分器元件中的主運(yùn)算放大器。OPA2188 是一款雙運(yùn)算放大器,采用專有的自動(dòng)調(diào)零技術(shù),最大失調(diào)電壓為 25 微伏 (µV),并且時(shí)間或溫度漂移接近于零。增益帶寬積為 2 MHz,典型輸入偏置電流為 ±160 pA。
對(duì)于該參考設(shè)計(jì),Texas Instruments 選擇 OPA2188 的原因是低失調(diào)和低失調(diào)漂移。而且,低偏置電流可最大程度地減小羅氏線圈上的負(fù)載。
濾波器中的積分器
積分器在狀態(tài)變量和雙二階濾波器設(shè)計(jì)中都有使用。這些相關(guān)的濾波器類型使用雙積分器來(lái)獲得二階濾波器響應(yīng)。狀態(tài)變量濾波器是一種更有趣的濾波器,因?yàn)閱蝹€(gè)設(shè)計(jì)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生低通、高通和帶通響應(yīng)。該濾波器使用兩個(gè)積分器以及一個(gè)加法器 / 減法器級(jí),如 TINA-TI 仿真所示(圖 9)。圖中顯示了低通輸出的濾波器響應(yīng)。
圖 9:狀態(tài)變量濾波器使用兩個(gè)積分器和一個(gè)加法器 / 減法器級(jí),以從同一電路產(chǎn)生低通、高通和帶通輸出。(圖片來(lái)源:Digi-Key Electronics)
這種濾波器拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于,在設(shè)計(jì)過(guò)程中可獨(dú)立調(diào)節(jié)所有三個(gè)濾波器參數(shù)(增益、截止頻率和 Q 值)。在此示例中,直流增益為 1.9 (5.6 dB),截止頻率為 1 kHz,Q 為 10。
高階濾波器的設(shè)計(jì)通過(guò)串聯(lián)多個(gè)狀態(tài)變量濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些濾波器通常用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器前的抗混疊,其中要求高動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲。
總結(jié)
盡管有時(shí)候世界似乎已經(jīng)全數(shù)字化,但本文討論的示例表明,模擬積分器在信號(hào)處理、傳感器調(diào)節(jié)、信號(hào)生成和濾波方面,仍然是非常有用和通用的電路元件。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)電話或者郵箱聯(lián)系小編進(jìn)行侵刪。
特別推薦
- AMTS 2025展位預(yù)訂正式開(kāi)啟——體驗(yàn)科技驅(qū)動(dòng)的未來(lái)汽車(chē)世界,共迎AMTS 20周年!
- 貿(mào)澤電子攜手安森美和Würth Elektronik推出新一代太陽(yáng)能和儲(chǔ)能解決方案
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(六)——瞬態(tài)熱測(cè)量
- 貿(mào)澤開(kāi)售Nordic Semiconductor nRF9151-DK開(kāi)發(fā)套件
- TDK推出用于可穿戴設(shè)備的薄膜功率電感器
- 日清紡微電子GNSS兩款新的射頻低噪聲放大器 (LNA) 進(jìn)入量產(chǎn)
- 中微半導(dǎo)推出高性價(jià)比觸控 MCU-CMS79FT72xB系列
技術(shù)文章更多>>
- 意法半導(dǎo)體推出首款超低功耗生物傳感器,成為眾多新型應(yīng)用的核心所在
- 是否存在有關(guān) PCB 走線電感的經(jīng)驗(yàn)法則?
- 智能電池傳感器的兩大關(guān)鍵部件: 車(chē)規(guī)級(jí)分流器以及匹配的評(píng)估板
- 功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(八)——利用瞬態(tài)熱阻計(jì)算二極管浪涌電流
- AHTE 2025展位預(yù)訂正式開(kāi)啟——促進(jìn)新技術(shù)新理念應(yīng)用,共探多行業(yè)柔性解決方案
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
生產(chǎn)測(cè)試
聲表諧振器
聲傳感器
濕度傳感器
石英機(jī)械表
石英石危害
時(shí)間繼電器
時(shí)鐘IC
世強(qiáng)電訊
示波器
視頻IC
視頻監(jiān)控
收發(fā)器
手機(jī)開(kāi)發(fā)
受話器
數(shù)字家庭
數(shù)字家庭
數(shù)字鎖相環(huán)
雙向可控硅
水泥電阻
絲印設(shè)備
伺服電機(jī)
速度傳感器
鎖相環(huán)
胎壓監(jiān)測(cè)
太陽(yáng)能
太陽(yáng)能電池
泰科源
鉭電容
碳膜電位器