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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)。
 
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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。
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
 
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)。
 
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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)。
 
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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)。
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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:
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
 
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:
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
 
如果 R1=R2=R3=R,則使用公式 4 計(jì)算輸出:
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
 
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)。
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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)。
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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)。
 
 如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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))。
 
 如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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)。
 
如何應(yīng)用于傳感器連接、信號(hào)生成和濾波?
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。
  
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