如何設(shè)計(jì)時(shí)間可調(diào)的給定積分器電路?這樣處理積分電路更靈活。
給定積分器的作用:把用戶的給定階躍信號(hào)轉(zhuǎn)換為斜坡給定信號(hào),減少給定突變引起的瞬間沖擊。
1 電路圖原理分析:
輸入信號(hào)為用戶可調(diào)電阻分壓信號(hào),經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器IC1A放大后,經(jīng)過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò),輸入給運(yùn)算放大器IC1B,信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C3進(jìn)行累積后,經(jīng)放大器輸出。
這個(gè)電路最主要的元器件是兩個(gè)運(yùn)算放大器,要想分析清除電路的工作原理,必須把運(yùn)算放大器的工作原理弄清楚。
1.1 運(yùn)算放大器原理:
運(yùn)算放大器是一種集成電路,功能是把輸入電壓信號(hào)放大N倍后輸出。
放大倍數(shù)(也叫增益):輸出電壓與輸入電壓的比值A(chǔ)。
運(yùn)算放大器特點(diǎn):高增益,高輸入電阻,低輸出電阻。
一個(gè)運(yùn)算放大器元件通常包含兩個(gè)電源端,兩個(gè)輸入端,一個(gè)輸出端。電源端接直流偏置電壓,有的運(yùn)放是單軌電源供電,比如0~5V供電,有的運(yùn)放是雙軌電源供電,比如-5~+5V供電。
標(biāo)記為負(fù)的一端稱為倒向輸入端,也叫反向輸入端。當(dāng)輸入電壓U加在負(fù)端與公共端之間時(shí),輸出電壓Uo等于-U,符號(hào)與輸入電壓U相反。
標(biāo)記為正的一端稱為非倒向輸入端,也叫同向輸入端。當(dāng)輸入電壓U加在正端與公共端之間時(shí),輸出電壓Uo等于U,符號(hào)與輸入電壓U相同。
如果正端和負(fù)端分別輸入電壓U1,U2時(shí),設(shè)正負(fù)端輸入電壓差值為Ud=U1-U2,則輸出電壓Uo=AUd。把Ud稱為差動(dòng)輸入電壓。
當(dāng)U1=0,則Ud=-U2,Uo=-AU2。當(dāng)U2=0,則Ud=U1,Uo=AU1。
運(yùn)放輸出電壓Uo與差動(dòng)輸入電壓Ud之間的關(guān)系可用上圖描述,在Ud很小的范圍內(nèi)(-ε, ε),Uo與Ud之間呈現(xiàn)線性關(guān)系,斜率為放大倍數(shù)A,由于A非常大,使得曲線斜率很陡峭,Ud的線性范圍非常小。隨著Ud的增大,輸出電壓Uo區(qū)域飽和電壓Us。
因此,在運(yùn)放的線性范圍內(nèi),Rin=∞,Ro=0,A=∞,運(yùn)放的差壓輸入值Ud≈0,則同向端和倒向端電壓基本相等。
由此獲得運(yùn)放兩條非常重要性質(zhì):
1 虛短:同向端和倒向端電壓相等;
2 虛斷:倒向端和非倒向端輸入電流為零;
有了運(yùn)放的基本性質(zhì),就可以對(duì)電路圖進(jìn)行分析了。
1.2 電路原理分析
分析第一個(gè)運(yùn)放IC1A。該運(yùn)放的同向輸入端通過(guò)電阻R3接給定電壓信號(hào)和電阻R5接積分輸出反饋信號(hào)。倒向輸入端通過(guò)電阻R4接公共端地。根據(jù)運(yùn)放基本性質(zhì),輸入端虛短,同向輸入端無(wú)電流流過(guò),則給定電壓Ug與積分反饋電壓Ui之間的電壓差,必定在同向輸入端產(chǎn)生電壓信號(hào)Ud,而倒向輸入端電壓為0,則當(dāng)電壓Ud>0時(shí),運(yùn)放輸出飽和導(dǎo)通電壓Us,當(dāng)電壓Ud<0時(shí),運(yùn)放輸出飽和導(dǎo)通電壓-Us。
分析IC1A運(yùn)放輸出參數(shù)配置:當(dāng)運(yùn)放IC1A輸出Us時(shí),通常Us略低于供電電源電壓+5V,當(dāng)運(yùn)放IC1A輸出-Us時(shí),通常-Us略低于供電電源電壓-5V,
當(dāng)運(yùn)放輸出電壓大于公共端電壓時(shí),二極管D2導(dǎo)通,配置不同的R8,R9值,可選擇不同的積分電容充電時(shí)間常數(shù),當(dāng)運(yùn)放輸出電壓小于公共端電壓時(shí),二極管D1導(dǎo)通,配置不同的R6,R7值,可選擇不同的積分電容放電時(shí)間常數(shù)。
兩個(gè)二極管的作用是對(duì)電容C3的充電和放電積分時(shí)間參數(shù)進(jìn)行選擇,使得積分具有不同的上升時(shí)間和下降時(shí)間。
分析運(yùn)放IC1B,運(yùn)放倒向輸入端通過(guò)R11電阻輸入,倒向輸入端與運(yùn)放輸出端通過(guò)電容C3相連接。輸出端通過(guò)電阻R3接電容C4用于信號(hào)濾波。
根據(jù)運(yùn)放虛短基本特性,可知運(yùn)放的倒向輸入端與同向輸入端電壓相等,同向輸入端電壓為公共端電壓0V,因此,倒向輸入端電壓為0V。
根據(jù)運(yùn)放虛斷基本特性,R11輸入電流完全流入電容C3,不經(jīng)過(guò)運(yùn)放倒向輸入端,當(dāng)R11流入正向電流時(shí),C3電容被充電,運(yùn)放輸出電壓反向升高或正向下降,反之,當(dāng)R11流入反向電流時(shí),C3電容被放電,運(yùn)放輸出電壓正向升高或反向下降,
2 電路參數(shù)計(jì)算:
2.1 計(jì)算運(yùn)放IC1A輸出電壓:
設(shè)運(yùn)放倒向輸入端電壓為U1,則當(dāng)輸入電壓Ug與積分電路輸出電壓Uob不相等時(shí),可計(jì)算U1電壓:
當(dāng)U1>0時(shí),計(jì)算此時(shí)的Ug與Uob之間的關(guān)系:
此時(shí)運(yùn)放IC1A同向輸入端電壓大于0,倒向輸入端電壓等于0,差動(dòng)輸入電壓Ud>0,輸出電壓為Us≈5V,反之,差動(dòng)輸入電壓Ud<0,輸出電壓為Us≈-5V。
2.2 計(jì)算積分時(shí)間參數(shù):
假設(shè)運(yùn)放IC1A輸出電壓為5V,則計(jì)算Uoa值:
此時(shí)二極管D2導(dǎo)通,假設(shè)二極管壓降為0.7V,則R9電壓為Uoa-0.7V。
對(duì)電路列寫KCL電流平衡方程:
計(jì)算Uoa值:
選擇不同的R8,R9可獲得不同的Uoa值,對(duì)應(yīng)著不同的電容C3充電電流。
當(dāng)運(yùn)放輸出電壓為-5V時(shí),同樣可計(jì)算出小于0的Uoa值。
2.3 計(jì)算積分輸出電壓:
利用運(yùn)放的虛短、虛斷性質(zhì),R11流入的電流等于電容C3流入的電流。
由此,獲得運(yùn)放輸出電壓Uob:
3 結(jié)論:
當(dāng)Uob輸出值與Ug滿足下列等式時(shí):
運(yùn)放IC1A差動(dòng)輸入電壓Ud=0,此時(shí)運(yùn)放輸出電壓為0,則Uoa等于0,積分電路輸出電壓保持當(dāng)前的Uob值,否則,必然造成積分電路的正向或反向積分。
因此,此給定積分器是具有負(fù)反饋功能的電壓積分給定器,積分器輸出電壓Uob與輸入電壓Ug之間保持固定的比例關(guān)系。
評(píng)論
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