- Op-Amp: n perusteet
- Ohjelmoitava vahvistusvahvistin toimii
- Tarvittavat komponentit
- Kaaviokuva
- Arduino-koodi PGA: lle
- Laskelmat ohjelmoitavalle vahvistusvahvistimelle
- Ohjelmoitavan vahvistusvahvistinpiirin testaus
- Plussat ja miinukset ohjelmoitavalle vahvistusvahvistimelle
- Lisäparannus
Mittausteollisuudessa erittäin tärkeä toiminnallinen lohko on ohjelmoitava vahvistusvahvistin (PGA). Jos olet elektroninen harrastaja tai opiskelija, olet todennäköisesti nähnyt yleismittarin tai oskilloskoopin, joka mittaa hyvin pieniä jännitteitä erittäin arvokkaasti, koska piirissä on sisäänrakennettu PGA yhdessä tehokkaan ADC: n kanssa, joka auttaa tarkassa mittausprosessissa.
Nykyään hyllyltä PGA-vahvistin tarjoaa op-amp-pohjaisen, ei-käänteisen vahvistimen, jolla on käyttäjän ohjelmoitava vahvistuskerroin. Tämän tyyppisellä laitteella on erittäin suuri tuloimpedanssi, laaja kaistanleveys ja valittavissa oleva sisäänmenojännitteen ohjearvo, joka on integroitu IC: hen. Mutta kaikilla näillä ominaisuuksilla on kustannukset, ja minulle ei kannata laittaa niin kallista sirua yleiseen sovellukseen.
Joten näiden tilanteiden voittamiseksi olen keksinyt järjestelyn, joka koostuu Op-vahvistimesta, MOSFETista ja Arduinosta, jonka avulla pystyin muuttamaan op-amp: n vahvistusta ohjelmallisesti. Joten tässä opetusohjelmassa aion näyttää, kuinka rakentaa oma ohjelmoitava vahvistusvahvistin LM358-op-amp: lla ja MOSFETS: llä, ja keskustelen testin ohella piirin eduista ja haitoista.
Op-Amp: n perusteet
Tämän piirin toiminnan ymmärtämiseksi on erittäin tärkeää tietää, kuinka operatiivinen vahvistin toimii. Lue lisää Op-amp: sta seuraamalla tätä op-amp-testaajapiiriä.
Yllä olevasta kuvasta näet operatiivisen vahvistimen. Vahvistimen perustehtävänä on vahvistaa tulosignaali, vahvistimen ohella op-amp voi myös tehdä erilaisia toimintoja, kuten summa, erottaa, integroida jne. Lisätietoja täältä on summausvahvistimesta ja differentiaalivahvistimesta.
Op-vahvistimessa on vain kolme päätettä. (+) -Merkkistä päätettä kutsutaan ei-invertoivaksi tuloksi ja terminaalia (-) -merkiksi kutsutaan invertoivaksi tuloksi. Näiden kahden liittimen lisäksi kolmas liitäntä on lähtöliitin.
Op-amp noudattaa vain kahta sääntöä
- Virtaa ei virtaa sisään tai ulos op-amp-tuloista.
- Op-amp yrittää pitää tulot samalla jännitetasolla.
Joten näiden kahden säännön poistamisen jälkeen voimme analysoida alla olevia piirejä. Opi myös lisää Op-amp: sta käymällä läpi erilaisia Op-amp-pohjaisia piirejä.
Ohjelmoitava vahvistusvahvistin toimii
Yllä oleva kuva antaa sinulle perusajatuksen raakan PGA-vahvistimen piirijärjestelystä. Tässä piirissä op-vahvistin on konfiguroitu ei-invertoivaksi vahvistimeksi, ja kuten me kaikki tiedämme ei-invertoivalla piirijärjestelyllä, voimme muuttaa op-vahvistimen vahvistusta vaihtamalla takaisinkytkentävastusta tai tulovastusta, kuten näette yllä olevasta piirijärjestelystä, minun on vain vaihdettava MOSFET-yksiköt yksi kerrallaan muuttaakseni op-vahvistimen vahvistusta.
Testiosassa tein juuri sen, että vaihdoin MOSFET-yksiköt yksi kerrallaan ja verrasin mitattuja arvoja käytännön arvoihin, ja voit tarkkailla tuloksia alla olevassa "piirin testaus" -osiossa.
Tarvittavat komponentit
- Arduino Nano - 1
- LM358 IC - 1
- LM7805-säädin - 1
- BC548 Yleinen NPN-transistori - 2
- BS170 Yleinen N-kanavainen MOSFET - 2
- 200K vastus - 1
- 50K vastus - 2
- 24K vastus - 2
- 6,8 kt vastus - 1
- 1K-vastus - 4
- 4,7 kt vastus - 1
- 220R, 1% vastus - 1
- Yleinen kosketuskytkin - 1
- Keltainen LED 3mm - 2
- Leipälauta - 1
- Hyppyjohdot - 10
- Virtalähde ± 12 V - 1
Kaaviokuva
Ohjelmoitavan vahvistusvahvistimen havainnollistamiseksi piiri on rakennettu juottamattomalle leipälaudalle kaavion avulla; Leipälevyn sisäisen loisinduktanssin ja kapasitanssin vähentämiseksi kaikki komponentit on sijoitettu mahdollisimman lähelle.
Ja jos ihmettelet, miksi leipälaudassani on johdinjoukko? haluan kertoa teille, että sen on tehtävä hyvä maadoitusyhteys, koska leipälautan sisäiset maadoitusliitännät ovat erittäin heikkoja.
Tässä piirin op-vahvistin on konfiguroitu ei-invertoivaksi vahvistimeksi ja 7805-jännitesäätimen tulojännite on 4,99 V.
Vastuksen R6 mitattu arvo on 6,75 K ja R7 on 220,8 R. Nämä kaksi vastusta muodostavat jännitteenjakajan, jota käytetään tuottamaan testivahvistimen tulojännite. Vastukset R8 ja R9 käytetään rajoittamaan panos pohjan transistorin T3 ja T4. Vastukset R10 ja R11 käytetään rajoittamaan kytkentänopeutta MOSFET T1 ja T2, muuten, se voi aiheuttaa värähtelyn piiri.
Tässä blogissa haluan näyttää sinulle syyn käyttää MOSFET: ää eikä BJT: tä, joten piirijärjestely.
Arduino-koodi PGA: lle
Täällä Arduino Nano -ohjelmaa käytetään ohjaamaan transistorin kantaa ja MOSFET-porttien porttia, ja yleismittaria käytetään jännitetasojen näyttämiseen, koska Arduinon sisäänrakennettu ADC tekee erittäin huonoa työtä matalan mittauksen suhteen. jännitetasot.
Täydellinen Arduino-koodi tälle projektille on annettu alla. Koska tämä on hyvin yksinkertainen Arduino-koodi, meidän ei tarvitse sisällyttää kirjastoja. Mutta meidän on määritettävä joitain vakioita ja syöttönastoja koodin mukaisesti.
Void setup () on tärkein toiminnallinen lohko, jossa luku- ja kirjoitustoiminnon kaikki tulot ja lähdöt suoritetaan kohti vaatimus.
#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #define BS170_WITH_24K_PIN 8 #define BC548_WITH_24K_PIN 7 #define BC548_WITH_50K_PIN 6 #define BUTTON_PIN 5 #define LED_PIN1_Define 3 int debounce_counter = 0; void setup () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (BS170_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (LED_PIN1, OUTPUT); pinMode (LED_PIN2, OUTPUT); pinMode (BUTTON_PIN, INPUT); } void loop () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // lue syöttöarvo if (val == LOW) {debounce_counter ++; if (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0; button_is_pressed ++; } if (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH);digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (painike_pakataan> = 4) {painike_painetaan = 0; }}}
Laskelmat ohjelmoitavalle vahvistusvahvistimelle
PGA-vahvistinpiirin mitatut arvot esitetään alla.
Vin = 4,99 V R7 = 220,8 Ω R6 = 6,82 KΩ R5 = 199,5 K R4 = 50,45 K R3 = 23,99 K R2 = 23,98 K R1 = 50,5 K
Merkintä! Vastuksen mitatut arvot näytetään, koska mitatuilla vastusarvoilla voimme verrata tarkasti teoreettisia ja käytännön arvoja.
Nyt jännitteenjakajan laskimen laskenta on esitetty alla,
Jännitteenjakajan lähtö on 0,1564V
Lasketaan ei-invertoivan vahvistimen vahvistus 4 vastukselle
Vout, kun R1 on valittu vastus
Vout = (1+ (199,5 / 50,5)) * 0,1564 = 0,77425V
Vout, kun R2 on valittu vastus
Vout = (1+ (199,5 / 23,98)) * 0,1564 = 1,45755V
Vout, kun R3 on valittu vastus
Vout = (1+ (199,5 / 23,99)) * 0,1564 = 1,45701V
Vout, kun R4 on valittu vastus
Vout = (1+ (199,5 / 50,45)) * 0,1564 = 0,77486V
Tein kaiken vertaillakseni teoreettisia ja käytännön arvoja mahdollisimman lähelle.
Kun kaikki laskelmat on tehty, voimme siirtyä testausosaan.
Ohjelmoitavan vahvistusvahvistinpiirin testaus
Yllä oleva kuva näyttää lähtöjännitteen, kun MOSFET T1 on päällä, joten virta virtaa vastuksen R1 läpi .
Yllä oleva kuva näyttää lähtöjännitteen, kun transistori T4 on päällä, joten virta virtaa vastuksen R4 läpi .
Yllä oleva kuva näyttää lähtöjännitteen, kun MOSFET T2 on päällä, joten virta kulkee vastuksen R2 läpi .
Yllä oleva kuva näyttää lähtöjännitteen, kun transistori T3 on päällä, joten virta virtaa vastuksen R3 läpi .
Kuten kaaviosta voidaan nähdä, että T1, T2 ovat MOSFET ja T3, T4 ovat transistoreita. Joten kun käytetään MOSFET-virhettä, virhe on 1–5 mV, mutta kun transistoreita käytetään kytkiminä, saamme virheen 10–50 mV: n alueella.
Yllä olevien tulosten perusteella on selvää, että MOSFET on tällaisen sovelluksen goto-ratkaisu, ja teoreettisissa ja käytännön virheet voivat johtua op-amp: n siirtymävirheestä.
Merkintä! Huomaa, että olen lisännyt kaksi LEDiä vain testauksen vuoksi, etkä löydä niitä todellisesta kaaviosta, se näyttää binäärikoodin osoittamaan, mikä nasta on aktiivinen
Plussat ja miinukset ohjelmoitavalle vahvistusvahvistimelle
Koska tämä piiri on halpa, helppo ja yksinkertainen, se voidaan toteuttaa monissa eri sovelluksissa.
Täällä MOSFETiä käytetään kytkimenä, joka siirtää kaiken virran vastuksen läpi maahan, minkä vuoksi lämpötilan vaikutus ei ole varma, ja rajallisilla työkaluillani ja testilaitteillani en pystynyt näyttämään sinulle lämpötilan vaihtelun vaikutuksia piiri.
BJT: n käytön tavoite MOSFETien kanssa on, koska haluan näyttää, kuinka huono BJT voi olla tällaisessa sovelluksessa.
Takaisinkytkentävastusten ja tulovastusten arvojen on oltava KΩ-alueella, koska pienemmillä vastusarvoilla MOSFETin läpi kulkee enemmän virtaa, jolloin enemmän jännitettä putoaa MOSFETin yli aiheuttaen arvaamattomia tuloksia.
Lisäparannus
Piiriä voidaan edelleen modifioida suorituskyvyn parantamiseksi, kuten voimme lisätä suodattimen hylkäämään suurtaajuiset äänet.
Koska tässä testissä käytetään LM358-hyytelöpapujen op-vahvistinta, op-vahvistimen offset-virheillä on suuri merkitys lähtöjännitteellä. Joten sitä voidaan parantaa edelleen käyttämällä instrumentaalivahvistinta LM358: n sijaan.
Tämä piiri on tehty vain esittelytarkoituksiin. Jos aiot käyttää tätä virtapiiriä käytännöllisessä sovelluksessa, sinun on käytettävä chopper-tyyppistä op-vahvistinta ja erittäin tarkkaa 0,1 ohmin vastusta absoluuttisen vakauden saavuttamiseksi.
Toivottavasti pidit tästä artikkelista ja opit siitä jotain uutta. Jos sinulla on epäilyksiä, voit kysyä alla olevista kommenteista tai käyttää foorumeitamme yksityiskohtaiseen keskusteluun.