Eivind, ED0 Ingeniørfaglig yrkesutøvelse og arbeidsmetoder Individuell fremføring

Transkript

1 Innledning og bakgrunn Denne teksten har som hensikt å forklare operasjonsforsterkerens virkemåte og fortelle om dens muligheter. Starten går ut på å fortelle kort om en del av operasjonsforsterkerens grunnleggende matematiske funksjoner. Deretter demonstreres det hvordan en enkel krets bygget opp av ulike komponenter vil kunne gjøre om analoge signaler til digitale signaler. Denne kretsen har forfatteren selv designet og realisert ved et tidligere stadium. Designfasen er blitt utført med simuleringsverktøy og er deretter realisert med printkort og tilslutt testet. Operasjonsforsterker Operasjonsforsterkeren (op-amp) er en svært anvendelig elektronisk enhet benyttet til bla. ulike regneoperasjoner og til forsterkning av signaler. Utallige apparater benytter seg av op-amper i ulike former. Navnet kommer av at komponenten kan utføre de fleste vanlige regneoperasjoner når den kombineres med motstander, kondensatorer og andre komponenter i ulike kretssammensetninger. Op-ampen i sin enkleste form er en forsterker som, i teorien, forsterker differansen mellom plussinngangen og minusinngangen tilnærmet uendelig, kun begrenset av driftsspenningen. Det vil si at en spenningsforskjell mellom inngang 2 og 3 på 2 V vil gi 15 V ut om driftsspenningen går opp til 15 V og 2000 V ut om driftsspenningen går til 2000 V. Figur 1 Operasjonsforsterker Inngangsmotstanden Rin, mellom 2 og 3, er tilnærmet uendelig stor. Derfor går det ingen strøm mellom de to inngangene. Utgangsmotstanden Rout er derimot uendelig liten. Figur 2 Operasjonsforsterker m intern motstand Uendelig forsterkning er i tillegg til å ikke være praktisk mulig heller ikke ønskelig, derfor er det nødvendig å få forsterkningen under kontroll. Dette gjøres ved å kombinere motstander i ulike konfigurasjoner slik at en kan bestemme forsterkningen A. Side 1 av 10

2 Ikke-inverterende forsterker Ved å koble innsignalet på den ikke-inverterende inngangen (+/3), R1 mellom linje 2 (gjerne jord) og den inverterende inngangen (-/2), og Rf mellom 2 og 6 oppnås en ikke-inverterende justerbar forsterkning. Forsterkningen defineres ved A = Vout = 1 + Rf Vin R1 Figur 3 Ikke-inverterende forsterker Inverterend forsterker Om en derimot skulle ønske et invertert signal på utgangen benyttes en inverterende forsterker. Forskjellen fra den foregående koblingen er at Vin kobles på den inverterende inngangen via R1 og + kobles til linje 2. Forsterkningen defineres her ved A = Vout = Rf Vin R1 Figur 4 Inverterende forsterker Side 2 av 10

3 Summasjonskrets For å summere verdier benyttes en summasjonskrets der alle inngangssignalene går inn på samme inngang via hver sin motstand. Forsterkningen er lik 1 og motstandsverdiene kan være ulike for å få en vektet sum. Figur 5 Summasjonskrets Differensforsterker En differensforsterker trekker inngangsverdiene fra hverandre og gir ut differansen på Vout. Forsterkning av differansen kan velges om en ønsker det. Figur 6 Differensforsterker Side 3 av 10

4 Komparator Komparatoren sammenligner inngangssignalene og leverer ut maks positiv / -negativ forsterkning så lenge signalene er ulike. Utsignalet baserer seg på om innsignalet er over eller under referansesignalet på den inverterte inngangen. Figur 7 Komparator Derivator Derivatoren gjør akkurat det navnet tilsier, nemlig å derivere signaler. Både derivatoren og integratoren kan benyttes for å endre formen på signalet, som en ser av figurene. Figur 8 Derivator Integrator Integratoren utfører integrasjon. Figur 9 Integrator Side 4 av 10

5 Ved å kombinere disse «regnemaskinene» kan en gjøre mengder av nyttige operasjoner. Videre demonstreres hvordan en kan bruke operasjonsforsterkere sammen med andre komponenter til å omgjøre et analogt signal til et digitalt signal. Delta-sigma analog til digital omformer ( ΣADC delta-sigma analog to digital converter) En ADC basert på delta sigma modulatoren er, grovt, bygget opp slik skissen under viser. Figur 10 Blokkskjema av ADC Det er mange situasjoner en kan ha behov for å omdanne analoge signaler til digitale, blant annet ved ulike målinger. Ved måling av fysiske størrelser skjer dette i den analoge verden, mens dataprosessering gjerne foregår ved hjelp av digitale systemer. Et digitalt signal er enten av eller på, 0 eller 1, 0 V eller for eksempel 5 V osv. Måten en styrer signalstyrken er dermed ved å justere duty cycle hvor lenge signalet er høyt eller lavt. Det er det som skjer i den beskrevne kretsen. Aller først integreres signalet, før det i komparatoren sammenlignes med jord og det kontrolleres om utgangssignalet fra integratoren er høyt eller lavt. Om det er høyt (over null) sendes det ut en høy puls og om det er negativt (under null) sendes det ut en lav puls. De digitale signalene går videre til en transistor som skiller ut de negative signalene og sender de positive til D-Latchen. Om signalet inn på D-Latchen er høyt, vil latchen på neste klokkepuls gi et høyt signal på utgangen. D-Latchen er avhengig av en klokkepuls inn for å fungere, derfor er det i denne kretsen benyttet en astabil multivibrator som klokkegenerator. Multivibratoren består av en operasjonsforsterker koblet slik at den gir ut et jevnt pulserende signal. Utgangen på D-Latchen er utsignalet til ADCen, men signalet går også tilbake til integratoren via en digital til analog konverterer (DAC). En DAC er en operasjonsforsterker koblet slik at digitale signaler omgjøres til analoge signaler. Signalet fra DAC går tilbake til inngangen, og differansen vil bli trukket fra inngangssignalet. Side 5 av 10

6 Figur 11 Kretsskjema ADC. For større figur se vedlegg Front end Ved hjelp av en front end en krets for måling og forsterkning av sensorsignal (se figur 12) kan en sensor tilkobles ADCen og en kan se hva som skjer med det analoge signalet etter å ha passert gjennom ADCen. For å raskt simulere temperaturendring ved testing ble et potmeter brukt istedenfor en temperatursensor. På skop-bildene i figur 13 ser en at ulik spenning inn på ADC gir utsignal med lik amplitude, men med ulik duty-cycle. Ved sammenkobling av front end og ADC så en at signalet inn på ADC må være minimum 0,92V før modulatoren endret utgangssignal. Videre målinger (se figur 13) viste at det først er ved 1.5V signalet stabiliserer seg og at 3V er høyeste spenning som gir brukbare signaler. Derfor vil 1,5V til 3V være ADCens spenningsområde for inngangssignalet til likespenningen. Tester gjort uten forsterkning av målebrosignal ga utgangsspenninger i området V. Det viser at uten en instrumenteringsforsterker som forsterker spenningen ut av front enden, vil ikke modulatoren fungere. Side 6 av 10

7 Figur 12 Front end/målebro med forsterker. Potmeter i gult. Figur 13 1,5 V, 2 V, 2,5 V og 3V innspenning på ADC. Hvit tekst er amplituden på DC-innsignal og grønn graf er ut. Side 7 av 10

8 Konklusjon Som en ser kan op-amper benyttes til mange ulike formål og det er ikke rart at bruken av slike komponenter har vært svært utbredt i mange år. Men det er nå slik at op-ampen og analogteknikken er utdatert og blir nå utkonkurrert av digitale kretser. Ulempen med analoge kretser er at hele kretsen må bygges til et gitt formål, noe som vanskeliggjør tilpasninger. Digitale kretser kan derimot programmeres akkurat slik en ønsker. I tillegg kan digitale kretser bygges betraktelig mye mindre. Side 8 av 10

9 Vedlegg Figur 14 Stor versjon av figur 11 Side 9 av 10

10 Kilder Side 10 av 10