Обработка сигналов с помощью операционных усилителей

11

Мне поручено воспроизвести следующий сигнал

используя только операционные усилители (и резисторы).

Я почти уверен, что должен добавить два сигнала, квадратные и треугольные формы волны, просто довольно сложно понять, как повернуть сигнал от -8В до 0В.

Я попытался получить передаточную функцию в соответствии с прямоугольным сигналом V2 (минус 6 В до 0 В макс., Частота = 1 Гц) и трингулярным сигналом V1 (0 В мин., 2 В макс., Частота = 1 Гц) с помощью этого я получаю следующий вывод Vo:

Vo = -2V1-2V2-4

Что удовлетворяет следующей таблице, КРОМЕ ТОЧКИ 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

Что бы я сделал?


Как квадрат, так и треугольник предоставляются в качестве входных сигналов, схема не генерирует их, просто обрабатывает их, чтобы в результате получить сигнал, показанный на рисунке. Это для проекта, так что это своего рода домашнее задание, и я сейчас усердно работаю над ним. И амплитуда, и область времени одинаково важны.

Favner
источник
2
прямоугольная волна предоставляется в качестве входного сигнала или схема должна генерировать ее тоже? это домашний вопрос? Амплитуда или точность во временной области важнее?
markrages
Используете только операционные усилители? Конечно, вам разрешено использовать резисторы?
In silico
Да, конечно, ограничения касаются только усилителей и резисторов.
Фавнер

Ответы:

17

Положительный наклон волны треугольника должен вдвое больше усиления отрицательного наклона, это невозможно сделать в схеме с усилителем и резисторами без некоторой хитрости:

введите описание изображения здесь

Сигнал s1 = треугольная волна, от 0 В до +4 В
Сигнал s2 = прямоугольная волна, от 0 В до +12 В
Сигнал s3 = s1 / 2 + s2 / 2, от 0 В до +8 В

±

×

Схема , всего 2 ОУ и 9 резисторов:

схема

stevenvh
источник
1
Brilliant! Это хорошее решение.
Адам Лоуренс
Действительно, это хорошее «более простое» решение (без использования интеграторов, полуволновых выпрямителей и т. Д.) Прав ли я, если предположим, что вы добавляете / микшируете сигналы и настраиваете амплитуду для желаемой амплитудной мощности, и в конце концов вы обнаружили этот тонкий трюк? , Я спрашиваю об этом, поскольку необходимо разработать или выяснить методику (предпочтительно известную методику) для разработки с операционными усилителями для этого конкретного случая. Спасибо.
Фавнер
@Madman - Спасибо! Хотя я думаю, что это скорее грязный трюк, чем гениальный :-). Я быстро понял, что это должно быть что-то вроде этого. Я думал об этом весь день, и я не вижу другого решения, по крайней мере, только с резисторами. (Оли обманщик! :-))
stevenvh
@stevenvh: награда, основанная на умном решении в рамках ограничений. Престижность для Oli Glaser за оригинальное использование операционного усилителя в качестве диода.
Федерико Руссо
7

Другой вариант - это схема, которая использует то же количество операционных усилителей, что и Стивенс, но работает немного по-другому.
Он полагается на разные коэффициенты усиления для положительных / отрицательных колебаний (достигается с помощью диодов в цепи обратной связи)
R2, R5 и R11 ослабляют и сдвигают сигнал -6V-0V до -2V-2V, в то же время представляя импеданс 1 кОм операционному усилителю. вход. R7 и R8 должны установить различные коэффициенты усиления для положительных / отрицательных колебаний.
Два компонента (положительное / отрицательное постукивание из точек «POS» и «NEG») окончательного сигнала затем суммируются и инвертируются операционным усилителем U2, и у вас есть выходной сигнал.

схема

Моделирование:

Схема сима

Вы можете увидеть входные сигналы (синий / красный) и выходной сигнал (зеленый) на верхнем графике. Внизу вы можете увидеть положительные и отрицательные компоненты (розовый / голубой), которые суммируются с помощью U2.

РЕДАКТИРОВАТЬ - Так нет диодов тогда?

Просто для забавы и чтобы не выходить за ограничения, здесь та же схема, но вместо нее используется операционный усилитель с защитными диодами входа ;-)

Контур 2

А вот и симуляция:

Схема 2 Сим

Я включил ток через входы усилителя, чтобы показать действие диода. Выход такой же, как и в первом контуре. В теории это должно работать с любыми операционниками с внеоборотным ограниченным диодом на защиту входных рельс.

Оли Глейзер
источник
Ограничениями являются только операционные усилители и резисторы, но я не знаю, есть ли другие решения, кроме моего подвоха. Я хотел бы увидеть один, хотя.
Стивенвх
@ Steven - Ах, я предполагал, что это были только усилители и пассивные компоненты, а не просто резисторы, так как сначала в вопросе говорилось «только усилители», а затем включались «и резисторы», когда комментировал In silico. Надеюсь, ОП сможет уточнить, разрешены ли диоды. Я думаю, что ваше решение в любом случае является отличным, я просто добавил альтернативу для интереса.
Оли Глейзер,
@Oli Glaser Я отредактировал свой оригинальный вопрос, добавив «(и резисторы)» после просмотра комментария In silico. Ограничениями всегда были операционные усилители и резисторы (и, очевидно, входные сигналы), за исключением того, что это не разрешалось, тем не менее, это еще одна хорошая альтернатива этой уродливой / волосатой проблеме :)
Favner
1
@Oli Glaser - Какой симулятор ты там использовал?
Фавнер
1
@Aaargh! Это даже более плохой чит, чем мой! :-) Это стоит вам двух дополнительных операционных усилителей. Может быть, вы также можете заменить резисторы на операционные усилители? ;-)
stevenvh
2

Хитрость этой проблемы в том, что у вас не просто сумма треугольной волны и прямоугольной волны. Отрицательные шаги прямоугольной волны -12 В, но положительные шаги только +8 В.

Попытка создать окончательный сигнал в виде совокупности нескольких сигналов, как предложили Стивен и Оли, совершенно верна и, возможно, на самом деле может быть лучшим ответом. Однако здесь есть другой способ думать об этой проблеме.

Рассмотрим конденсатор, который может заряжаться и разряжаться с фиксированными токами, а также может быть зажат высоким и низким «мгновенно» до +8 и -8 вольт. Просто чтобы выбрать что-то, давайте используем, например, конденсатор 10 нФ. Для его разрядки на 4 В за 1 мс потребуется -40 мкА. Для зарядки 8 В за 1 мс потребуется +80 мкА. Вы могли бы иметь отдельные источники -40 и +80 микроампер, которые будут включены в нужное время. Однако, вероятно, проще иметь фиксированный источник -40 мкА и переключаемый источник +120 мкА.

Все может управляться с прямоугольной волны 500 Гц. источник тока 120 мкА включается, когда прямоугольная волна положительна (в течение 1-2 мс и 3-4 мс на диаграмме). Зажим нижней стороны активируется на короткое время от нарастающего фронта прямоугольной волны, а зажим с высокой шириной от падающего края. Так как напряжение сбрасывается до одного из пределов ограничения один раз в миллисекунду, этот метод прекрасно предотвращает разгон, если ступени и линейные изменения не суммируют ровно ноль за цикл.

Это не схема, а просто схема общей концепции. У меня есть NPN и PNP транзисторы для зажимов только для того, чтобы показать общую идею. Потребуется больше, например, диод и / или резистор, для своевременного сброса C2 и C3 для следующего использования, если биполярные транзисторы действительно используются. Источники тока могут быть созданы с помощью операционных усилителей, и существуют различные способы их включения и выключения.

Опять же, это концепция только с деталями, оставленными в качестве упражнения. Тем не менее, я думаю, что это может быть осуществимо в зависимости от многих вещей, которые вы нам не сказали, таких как точность, выходной диск, скорость ребер и т. Д. Я мог бы получить больше подробностей, если это направление, которое вас интересует.

Олин Латроп
источник
Правильно ли я вас понимаю, что источники тока предназначены для откосов, а транзисторы / конденсаторы для ступеней? Я знаю, что это всего лишь концепция, но может ли она дать обратную связь, чтобы она не исчезла, например, если отрицательные шаги будут только на 2 В отличаться от положительных?
Федерико Руссо
@Federico: Да, источники тока обеспечивают рампы, а два зажима - «мгновенные» шаги. Как я уже сказал, это не убегает, поскольку выход фиксируется на фиксированном напряжении один раз каждые мс. Ошибки не накапливаются после событий зажима.
Олин Латроп
0

Как насчет добавления смещения к прямоугольной волне, чтобы сделать его асимметричным, затем интегрирования его с операционным усилителем и вычитания его из исходной прямоугольной волны. Я не могу понять это, но это похоже на жизнеспособный подход.

Скотт Сейдман
источник
1
Интеграция требует конденсатора, так что это нет-нет. Кроме того, асимметричная прямоугольная волна создаст различные восходящие и спадающие уклоны не будет длиться 1 мс, поэтому добавление их к прямоугольной волне 50% не даст вам хорошего результата.
Stevenvh