有效地使用模拟信号调节来将传感器与处理器进行匹配

大多数制造商项目的核心是数字化的,但传感器往往是模拟设备,需要信号处理与处理器模拟输入接口。然而,低信号幅度,失调电压或干扰信号的问题可能会使制造商的设计过程复杂化,因为信号电平超出了处理器数字化仪的数字输入范围。
一些长期以来的制造商了解这些问题,其他人可能已经忘记了基本面,而对于许多模拟世界仍然笼罩着神秘。总而言之,本文将描述模拟信号处理/调节的作用,并提供典型设计要求,约束和折衷的示例。
它将介绍样本设备以及如何应用它们,并调查可用的低成本或免费设计工具,以加速项目设计和开发,以帮助保持预算紧张。鉴于许多制造商项目都受到资源限制,本文还将提供有关哪些资源可用于多种用途以进一步节省成本的见解。

信号处理和运算放大器

传感器和数字处理器之间的模拟信号处理或调理旨在最大限度地减少信号进入数字域之前的任何有害的模拟效应。此外,使用低成本运算放大器(运算放大器)可以高性价比地完成传感器信号的放大,移位和滤波,使其与处理器输入完全兼容。
另外,信号处理可以扩展传感器的特性,例如积分加速度计的输出以获得速度和位移信号。
运算放大器是直流耦合的高增益电压放大器,带有差分输入,通常是单端输出。历史上,他们被用来实现模拟计算机的微分方程的解决方案。
由于其多功能性,运算放大器现在是包括模拟信号处理在内的许多模拟电路的基本构建模块。他们在消费,工业和科学设备中找到应用。由于成本低廉且可用性好,它们也是制造商/ DIY项目的理想选择。
使用负反馈,运算放大器电路的参数,包括其增益,带宽和输入和输出阻抗(仅举几个例子)都受外部组件控制。使用良好的设计实践,性能主要与运算放大器的制造变化或环境条件无关。
考虑德州仪器的 TL081运算放大器(图1)。
德州仪器TL081运算放大器连接的图像
图1:外形图,显示了德州仪器TL081运算放大器的连接(图片来源:Digi-Key Electronics)
这个典型的运算放大器具有反相和非反相差分输入引脚和单个输出。输入使用结型场效应晶体管(JFET)来确保高输入阻抗和极低的偏置电流(30皮安(pA))。它在DC时具有典型的大于100,000的大信号差分增益,以及3MHz的单位增益带宽积。它有两个通孔(兼容原型板)和表面贴装封装。

将传感器匹配到模数转换器

诸如Arduino板之类的制造商处理器包含用于读取模拟传感器的模拟通道输入。例如,Arduino Uno有六个模拟输入。这些输入被复用到一个10位模数转换器(ADC)中。10位ADC将输入电压范围分成2 个10或1024个电压电平(数值从0到1023)。
ADC输入范围由所选模拟参考电压决定。在Arduino Uno的情况下,默认参考电压是5伏。它也有一个1.1伏特的内部参考电压,或者用户可以输入0到5伏特之间的外部参考电压。ADC将映射0伏与所选模拟参考电压之间的电压。对于默认的5V参考,ADC映射0到5伏之间的1024个电平,或每个电平4.88毫伏(mV)。为了转换双极性信号,零电平是ADC范围的一半。在这个例子中,这将是2.5伏特。转换器代码的最大负信号值为0伏特,最大正信号值为5伏特,范围中心为0伏特。
现在考虑来自换能器的信号,例如驻极体麦克风,其振幅仅为2 mV。信号幅度小于示例中ADC的最低有效位准。要使用带有ADC的麦克风,信号需要放大。另外,信号电平必须移动,以使其以2.5伏为中心。这些更改可以使用运算放大器。而且,信号可以被频带限制以使用配置为滤波器的运算放大器来覆盖期望的音频范围。

放大器配置

运放具有差分输入,可以设计为反相或非反相放大器(图2)。
两个基本运算放大器配置的图像:反相和非反相
图2:两种基本的运算放大器配置:反相和非反相。(图片来源:Digi-Key Electronics)
运算放大器的差分输入端既有用负号( - )标记的反相输入,也有用正号(+)表示的同相输入端。施加到反相输入的信号产生移位180度的输出(反相)。相反,施加到非反相输入端的信号在输出端同相出现。
每个配置的增益仅取决于外部电阻器R a和R b。这是运算放大器的高开环增益和从输出端通过电阻器R b施加到反相输入端的负反馈的结果。请注意,反相放大器的增益由R b与R a的比值决定。非反相放大器配置的增益是1 + R b / R a。
这显示了运算放大器如何获得增益。实现固定直流偏移的问题通过在其中一个输入端加上一个偏移电压来解决(图3)。
为反相和非反相运算放大器配置添加偏移的图像
图3:用于向反相和非反相运算放大器配置添加偏移量的技术。(图片来源:Digi-Key Electronics)
偏移电压通过一个简单的分压器加到反相或非反相输入端。请注意,失调电压受到级增益的影响。设计放大器时必须牢记这一点。

设计工具

运算放大器电路有许多来源可以提供放大,滤波或两者兼有。运算放大器制造商提供免费的设计工具来帮助评估这些电路,而无需实际购买组件和构建原型。以德州仪器为例。他们提供了一个名为TINA-TI的免费电路仿真程序,一种类似香料的电路仿真器。德州仪器(TI)采用组件模型和电路示例的库来包装程序,使其易于上手(图4)。
TINA-TI模拟放大器/滤波器的图像
图4:旨在将驻极体麦克风与Arduino板匹配的放大器/滤波器的TINA-TI模拟。它提供了一个300-10,000 Hz带通滤波器的增益为100。(图片来源:Digi-Key Electronics)
该电路使用两个德州仪器OPA337NA-3K运算放大器。该运算放大器专为电池供电设备而设计,支持单电源供电,JFET输入偏置电流<10 pA,3 MHz增益带宽产品。
图4中的OP1被配置为增益为10(20 dB)的非反相放大器。OP2被设置为具有10 kHz截止频率的多反馈低通滤波器。这个阶段也有10的增益。这两个级联的阶段提供了100(40分贝)的整体增益。输入为交流耦合,上限截止频率约为300 Hz。这与低通滤波器相结合,产生一个覆盖300到10,000赫兹的带通滤波器。
电路性能可以使用DVM,信号发生器,示波器和信号分析仪等内置虚拟仪器进行测试。电路性能显示在虚拟信号分析仪上。该图显示增益与频率的函数关系。它验证了在300 Hz至10 kHz频带内增益为40 dB。
由R4和R5设置的分压器也包含偏置,为处理器ADC产生2.5伏偏置。

最后的放大器电路

最后的放大器电路(图5)显示了驻极体麦克风及其偏置电阻。
完成了放大器的原理图,包括驻极体麦克风及其相关的偏置电阻
图5:放大器的完整原理图,包括驻极体麦克风及其相关的偏置电阻。(图片来源:Digi-Key Electronics)
这是电路的最终版本,旨在使用与Arduino电路板相同的5伏电源。电阻器R1为麦克风提供必要的偏置电流。所有其他组件与图4中的模拟放大器相同。

单传感器,多个输出

历史上,运算放大器已被用来求解微分方程。这涉及到能够区分和整合信号。使用此功能,加速度计的输出可以被集成一次以读取速度。如果速度信号被积分,则输出是位移。这意味着通过使用运算放大器来集成信号,单个传感器的输出可以产生三个不同的信号。加速度,速度和位移都可以从单个加速度计读取(图6)。
双积分器产生加速度,速度和位移读数的图表
图6:使用双积分器从加速度传感器产生加速度,速度和位移读数以及加速度信号。(图片来源:Digi-Key Electronics)
来自加速度计的信号直接输出; 它也被集成一次以产生速度输出。速度信号被积分以导出位移信号。
积分器在反馈环路中使用带有电容器的运算放大器。在这个例子中,第二个运算放大器之后是一个低通滤波器,以限制信号带宽以降低噪声。这种技术被用在几个商用加速度计信号调节电源中。
当使用运算放大器作为集成器时,需要牢记几件事情。首先是整合者倾向于漂移; 来自运算放大器的任何偏置电流在反馈电容器上积累电荷,导致输出电压。使用极低偏置电流的运算放大器(如TL081和OPA337)可以最大限度地减少这个问题。
当信号被积分时,有一个积分常数被加到信号上。这个常数的值取决于初始条件。该电路使用交流耦合去除这些直流常数。结果是速度和位移信号只读取相对值。因此,在位移信号中,只能看到位移的变化,而不是绝对位移。对于像振动测量这样的应用来说这是不成问题的,其中位移的变化是所需要的。它不能用来确定加速度计位置的绝对变化。

学习更多关于运算放大器

有几个运算放大器培训工具包可用来帮助调查和学习如何应用这些有用的信号处理设备。其中最好的是专业的模拟系统实验箱从商mikroElektronika。该套件与德州仪器联合开发,提供14个使用运算放大器和相关模拟处理单元的实验。本课程的内容远远超出了本文提供的范例。

结论

运算放大器是制造商和DIY用户在涉及传感器和数字处理器的项目中需要了解的关键模拟信号处理组件。它们提供增益,控制偏移电压,滤波器模拟信号,并可以集成或区分传感器输出,以确保传感器和处理器接口达到最佳匹配。他们在大多数业余爱好者的有限预算内完成了这一切。

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