Pemrosesan Sinyal dengan Op Amps

11

Saya ditugaskan untuk mereproduksi sinyal berikut

hanya menggunakan Op Amps (dan resistor).

Saya cukup yakin saya harus menambahkan dua sinyal, bentuk gelombang persegi dan segitiga, hanya cukup sulit untuk mengetahui cara memutar sinyal dari -8V ke 0V.

Saya sudah mencoba untuk mendapatkan fungsi transfer sesuai dengan sinyal gelombang persegi V2 (-6V min ke 0V max, freq = 1Hz) dan bentuk gelombang tringular V1 (min 0V, 2V max, freq = 1Hz) dengan ini, saya mendapatkan berikut output Vo:

Vo = -2V1-2V2-4

Yang memenuhi tabel berikut KECUALI DI POINT V1 = 0, V2 = 0

    V1  V2   V0
    2   -6   8
    2   -6   4
    2    0  -8
    0    0  -4   <---HERES THE PROBLEM ! (Should be zero)
    0   -6   8

Apa yang akan saya lakukan?


Baik kuadrat dan segitiga disediakan sebagai sinyal input, sirkuit tidak menghasilkan mereka hanya memprosesnya untuk menghasilkan sinyal yang ditunjukkan pada gambar. Ini untuk sebuah proyek jadi itu semacam pekerjaan rumah dan saya sedang bekerja keras untuk itu sekarang. Baik amplitud dan domain waktu sama pentingnya.

Favner
sumber
2
apakah gelombang persegi diberikan sebagai sinyal input atau haruskah sirkuit menghasilkannya juga? apakah ini pertanyaan pekerjaan rumah? Apakah amplitudo atau kesetiaan domain waktu lebih penting?
markrages
Hanya menggunakan op-amp? Tentunya Anda juga diizinkan menggunakan resistor?
Di silico
Ya tentu saja, batasannya adalah opamps dan resistor saja.
Favner

Jawaban:

17

Kemiringan positif gelombang segitiga membutuhkan dua kali perolehan kemiringan negatif, ini tidak dapat dilakukan dalam rangkaian opamp dan resistor tanpa beberapa trik:

masukkan deskripsi gambar di sini

Sinyal s1 = gelombang segitiga, 0 V hingga +4 V
Sinyal s2 = gelombang persegi, 0 V hingga +12 V
Sinyal s3 = s1 / 2 + s2 / 2, 0 V hingga +8 V

Di sinilah triknya masuk. Lereng gelombang segitiga simetris, dan kita membutuhkannya berbeda. Trik: gunakan opamp rail-to-rail dengan pasokan 12 V. Kami akan menggunakannya untuk memotong bagian atas gelombang s3.±

Sinyal s4 = 2 s3 (terpotong), 0 V hingga +12 V Sinyal s5 = Vout = s4 - 8 V ​​+ s1, -8 V hingga +8 V×

Skema , hanya 2 opamps dan 9 resistor:

Skema

stevenvh
sumber
1
Cemerlang! Itu solusi yang bagus.
Adam Lawrence
Memang ini adalah solusi 'sederhana' yang bagus (tanpa menggunakan integrator, penyearah setengah gelombang, dll) Apakah saya benar jika Anda menambahkan / mencampur sinyal dan menyesuaikan amplitudo untuk output amplitudo yang diinginkan dan akhirnya Anda mengetahui bahwa trik halus tersebut . Saya meminta ini karena perlu mengembangkan atau mencari teknik (lebih disukai teknik yang dikenal) untuk merancang dengan op-amp untuk kasus khusus ini. Terima kasih.
Favner
@Madman - Terima kasih! Meskipun saya pikir itu lebih dari trik kotor daripada yang brilian :-). Saya segera menyadari itu harus seperti ini. Saya memikirkannya sepanjang hari, dan saya tidak bisa melihat solusi lain, setidaknya tidak dengan resistor saja. (Oli adalah penipu! :-))
stevenvh
@stevenvh: hadiah diberikan berdasarkan solusi pintar dalam batasan. Kudos for Oli Glaser untuk penggunaan asli opamp sebagai dioda.
Federico Russo
7

Pilihan lain adalah sirkuit ini, yang menggunakan jumlah opamps yang sama dengan Stevens tetapi bekerja sedikit berbeda.
Ini bergantung pada keuntungan yang berbeda untuk ayunan positif / negatif (dicapai dengan dioda dalam rangkaian umpan balik)
R2, R5 dan R11 menipiskan dan menggeser sinyal -6V-0V ke -2V-2V, sambil menghadirkan impedansi 1kΩ ke opamp memasukkan. R7 dan R8 adalah untuk mengatur keuntungan yang berbeda untuk ayunan positif / negatif.
Dua komponen (postive / negatif yang disadap dari titik "POS" dan "NEG") dari sinyal akhir kemudian dijumlahkan dan dibalikkan oleh U2 opamp, dan Anda memiliki sinyal output Anda.

Sirkuit

Simulasi:

Sirkuit Sim

Anda dapat melihat sinyal input (biru / merah) dan sinyal output (hijau) di grafik atas. Di bagian bawah Anda dapat melihat komponen positif dan negatif (pink / biru muda) yang dijumlahkan oleh U2.

EDIT - Jadi tidak ada dioda?

Hanya untuk bersenang-senang, dan untuk tetap dalam batasan, di sini adalah sirkuit yang sama tetapi menggunakan opamp dengan dioda perlindungan input sebagai gantinya ;-)

Sirkuit 2

Dan inilah simulasi:

Sirkuit 2 Sim

Saya memasukkan arus melalui input opamp untuk menunjukkan aksi dioda. Outputnya sama dengan sirkuit pertama. Secara teori ini harus bekerja dengan opamp dengan dioda terbatas tidak lancar untuk perlindungan input rel.

Oli Glaser
sumber
Kendalanya hanya opamps dan resistor, tetapi saya tidak tahu apakah ada solusi lain selain trik kotor saya. Saya ingin melihatnya.
stevenvh
@ Seven - Ah, saya berasumsi itu opamp dan komponen pasif, bukan hanya resistor, karena pada awalnya pertanyaannya hanya mengatakan "hanya opamps", kemudian dimasukkan "dan resistor" ketika In silico berkomentar. Semoga OP dapat mengklarifikasi apakah dioda diizinkan. Saya pikir Anda adalah solusi yang sangat baik, saya hanya menambahkan alternatif untuk minat.
Oli Glaser
@Oli Glaser Saya telah mengedit pertanyaan asli saya dengan menambahkan "(dan resistor)" setelah melihat komentar dari In silico. Kendala selalu opamps dan resistor (dan jelas sinyal input) selain dari yang tidak diizinkan, namun itu adalah alternatif lain yang baik untuk masalah jelek / berbulu ini :)
Favner
1
@Oli Glaser - Simulator apa yang Anda gunakan di sana?
Favner
1
@Aargh! Itu bahkan lebih curang daripada saya! :-) Harganya dua opamps tambahan. Mungkin Anda bisa mengganti resistor dengan opamps juga? ;-)
stevenvh
2

Yang membuat masalah ini rumit adalah bahwa Anda tidak hanya memiliki jumlah gelombang segitiga dan gelombang persegi. Langkah-langkah negatif dari gelombang persegi adalah -12 V, tetapi langkah-langkah positif hanya +8 V.

Mencoba membuat sinyal terakhir sebagai gabungan dari beberapa sinyal seperti yang disarankan Steven dan Oli sangat valid dan mungkin sebenarnya merupakan jawaban terbaik. Namun, berikut ini cara yang berbeda untuk memikirkan masalah ini.

Pertimbangkan kapasitor yang dapat diisi dan dikosongkan dengan arus tetap, dan juga dapat dijepit tinggi dan rendah "langsung" ke +8 dan -8 volt. Sebagai contoh, mari kita gunakan kapasitor 10 nF misalnya. Untuk melepaskannya dengan 4 V dalam 1 ms akan membutuhkan -40 μA. Untuk mengisi daya 8 V dalam 1 ms akan membutuhkan +80 μA. Anda dapat memiliki sumber microamp -40 dan +80 terpisah yang diaktifkan pada waktu yang tepat. Namun, mungkin lebih mudah untuk memiliki sumber tetap -40 μA dan sumber +120 μA yang dapat diganti.

Semuanya dapat didorong dari gelombang persegi 500 Hz. sumber arus 120 μA diaktifkan ketika gelombang persegi positif (selama 1-2 ms dan 3-4 ms dalam diagram Anda). Penjepit sisi rendah diaktifkan untuk waktu singkat dari tepi naik dari gelombang persegi, dan penjepit lebar tinggi dari tepi jatuh. Karena tegangan disetel ulang ke salah satu batas penjepit satu kali per milidetik, metode ini dengan baik menghindari pelarian jika langkah dan landai tidak bertambah hingga nol per siklus.

Ini bukan skema, hanya diagram dari konsep umum. Saya punya transistor NPN dan PNP untuk klem hanya untuk menunjukkan ide umum. Akan ada lebih banyak yang diperlukan, seperti dioda dan / atau resistor, untuk mengatur ulang C2 dan C3 pada waktunya untuk penggunaan berikutnya jika transistor bipolar benar-benar digunakan. Sumber saat ini dapat dibuat dengan opamps, dan ada berbagai cara untuk menghidupkan dan mematikan satu.

Sekali lagi, ini adalah konsep hanya dengan rincian yang tersisa sebagai latihan. Namun, saya pikir ini bisa diterapkan tergantung pada banyak hal yang belum Anda beri tahu kami, seperti akurasi, output drive, kecepatan tepi, dll. Saya bisa masuk ke lebih spesifik jika ini adalah arah yang Anda minati.

Olin Lathrop
sumber
Apakah saya mengerti Anda dengan benar bahwa sumber saat ini adalah untuk lereng, dan transistor / kapasitor untuk langkah-langkahnya? Saya tahu ini hanya sebuah konsep, tetapi bisakah ini memberikan umpan balik sehingga tidak melarikan diri, seperti jika langkah-langkah negatif akan hanya 2 V berbeda dari yang positif?
Federico Russo
@Federico: Ya, sumber saat ini menyediakan langkah-langkah "instan" landai dan kedua klem. Seperti yang saya katakan, ini tidak lari karena output dijepit ke tegangan tetap setiap ms sekali. Kesalahan tidak terakumulasi melewati peristiwa penjepit.
Olin Lathrop
0

Bagaimana dengan menambahkan offset ke gelombang persegi untuk membuatnya asimetris, kemudian mengintegrasikannya dengan op amp dan mengurangkannya dari gelombang persegi asli. Saya tidak bisa menyelesaikannya, tapi rasanya seperti pendekatan yang layak.

Scott Seidman
sumber
1
Mengintegrasikan membutuhkan kapasitor, jadi itu tidak-tidak. Selain itu, gelombang persegi panjang asimetris akan membuat lereng naik dan turun yang berbeda tidak akan sepanjang 1 ms, jadi menambahkannya ke gelombang persegi 50% tidak akan memberikan hasil yang bagus.
stevenvh