ใช้ Opto-Isolator เพื่อเปลี่ยน Amplification ของ Op-Amp

11

พิจารณาวงจรนี้ซึ่งเป็นแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่มีการแปลงกลับที่มีแอมพลิฟายเออA = 1+R1/R2ร์

แอมพลิฟายเออร์ที่ไม่มีการแปลงกลับแบบมาตรฐานพร้อม A = 1 + R1 / R2

ตอนนี้ฉันต้องการที่จะสามารถเปลี่ยนค่าการขยายนี้แบบไดนามิกโดยใช้พินไมโครคอนโทรลเลอร์ ฉันคิดวิธีแก้ปัญหานี้ขึ้นมาซึ่งโดยทั่วไปจะปรับเปลี่ยนค่าของตัวต้านทานป้อนกลับโดยการใส่ตัวต้านทานอื่นแบบขนาน:

แอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านพร้อมแอมพลิฟายเออร์ที่เปลี่ยนแปลงได้

ฉันคิดว่าแอมพลิฟายเออร์ใหม่ (เมื่อเปิด opto-isolator)

A = 1 + (R1||R3)/R2
  = 1 + (R1 R3)/(R2(R1+R3))

วิธีนี้จะใช้งานได้จริงตามที่ฉันตั้งใจหรือไม่ ฉันกังวลเป็นพิเศษว่าแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวของ phototransistor อาจมีผลต่อ op-amp ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ถ้าเป็นเช่นนั้นจะมีทางเลือกอื่นในการแก้ไขปัญหานี้หรือไม่?

operational-amplifier opto-isolator

— Geier
แหล่งที่มา

1

คำถามที่น่าสนใจและฉันอยากรู้อยากเห็นคำตอบด้วยตัวเอง แต่คุณจะได้เรียนรู้มากที่สุดโดยการสร้างวงจรและทดสอบผลลัพธ์จากนั้นอภิปรายผลลัพธ์ในคำถามหากคุณไม่เข้าใจหรือต้องการปรับปรุงการตอบสนอง

— jippie

2

มีเหตุผลพิเศษที่คุณต้องแยก MCU ออกจาก opamp หรือไม่? ฉันถามเพราะคำตอบปกติของฉันคือใช้หม้อดิจิตอลหรือสวิตช์ดิจิตอลและตัวต้านทานบางตัวเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เดียวกัน

— markt

ลองดูแผ่นข้อมูลนี้มีแอปพลิเคชั่นที่น่าสนใจอยู่บ้าง มันขึ้นอยู่กับ optocoupler FET และลักษณะเป็น AC มากขึ้นกว่าประเภทสองขั้ว คุณต้องการแยก BTW จริง ๆ อาจมีตัวเลือกอื่นด้วย

— jippie

@ เครื่องหมาย: µC อยู่บนกระดานจริงและบอร์ดที่มี op-amp มีแหล่งจ่ายไฟ 24 V เท่านั้น นอกจากนี้ฉันต้องการให้วงจรนั้นง่ายที่สุดดังนั้นจึงเป็นการดีที่สุดที่จะหลีกเลี่ยงการมีสายไฟเพิ่มเติมสำหรับแหล่งจ่ายไฟ ฯลฯ แต่ขอบคุณสำหรับคำแนะนำต่อไปบางทีฉันจะกัดกระสุนและใช้วิธีแก้ปัญหาของคุณ;)

— Geier

@jippie: ดูคำตอบของฉันเพื่อแสดงความคิดเห็นของ markt การแยกจะดี แต่ฉันอยากรู้อยากเห็นสำหรับวิธีการแก้ปัญหาอื่น ๆ ฉันจะเพิ่มความเหงาที่อื่นแล้ว

— Geier

7

ข้อสันนิษฐาน : มีความต้องการแยกแสงระหว่างการควบคุมอัตราขยาย (เอาต์พุต uC) และโมดูลขยายสัญญาณ

นี่คือความเรียบง่ายของวิธีการในคำถามที่เอาทรานซิสเตอร์ / FETs ออกจากเส้นทางป้อนกลับและให้ช่วงของการได้รับอนาล็อก (ต่อเนื่อง) ในขณะที่รักษาออปโต - แยก - ใช้optocoupler LDRที่ใช้ในบางคลาสสิกและเครื่องขยายเสียง DIY :

ออปโต LDR

สำหรับทางเลือก one-off หรือ DIY ให้ใช้ตัวต้านทานแบบพึ่งพาแสง CdS ราคาถูกและแพร่หลายแทนพร้อมกับ LED ปกติ:

LDR

แผนผังนี้จึงเป็น:

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ความต้านทานการควบคุมอัตราขยายคือการรวมกันแบบขนานของ R1 และ (R2 + R_LDR)

ด้วยการเปลี่ยนแปลงวัฏจักรหน้าที่ของสัญญาณ PWM หรือแรงดันไฟฟ้าของขาออก DAC ของไมโครคอนโทรลเลอร์ความเข้มแสงของ LED จะแปรผัน เมื่อเพิ่มขึ้นความต้านทานไฟ LED จะลดลงจากค่าที่สูงมาก (เช่นผลกระทบเล็กน้อยต่อการคำนวณอัตราขยาย) เมื่อ LED ดับลงไปเป็นค่าต่ำเมื่อ LED มีค่าเกือบ 100%

หมายเหตุ : หากใช้ PWM ความถี่ PWM จะต้องสูงกว่าย่านความถี่ที่น่าสนใจของสัญญาณอย่างมีนัยสำคัญ มิฉะนั้น PWM จะจับคู่กับเส้นทางสัญญาณตามที่ระบุโดย @ pjc50

— Anindo Ghosh
แหล่งที่มา

คู่ความถี่ PWM จะไม่ส่งออกหรือไม่

— pjc50

มันจะไม่สำคัญเว้นแต่ว่าความถี่ PWM จะอยู่ในช่วงความถี่เสียงดี LDR มีการตอบสนองที่ช้ามากเวลาเพิ่มขึ้น 5 ถึง 10 nS เป็นเรื่องปกติดังนั้นพวกเขาจึงทำหน้าที่เป็นตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำ

— Anindo Ghosh

@ pjc50 ที่จริงขอให้ฉันแก้ไข: OP ไม่ได้ระบุช่วงความถี่ของสัญญาณสำหรับการขยายดังนั้นถ้าใช่ความถี่ PWM อยู่ภายในหรือใกล้กับย่านความถี่ที่ต้องการและยังไม่สูงพอสำหรับการตอบสนองความถี่ต่ำของ LDR เพื่อเตะจากนั้นจะมีการเชื่อมต่อของ PWM เข้าสู่เส้นทางสัญญาณ

— Anindo Ghosh

5

คำตอบที่ให้ทั้งหมดสามารถใช้งานได้มากกว่าหรือน้อยกว่า แต่มีข้อเสียบางประการ:

ทั้งหมด แต่คำตอบของ Anindo Ghosh จะทำงานกับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำเพียงเล็กน้อยหรือมีช่วงการควบคุมขนาดเล็ก
การแก้ปัญหาด้วยตัวต้านทานภาพถ่ายจะทำงานได้ แต่ตัวต้านทานตัวต้านทานเป็นองค์ประกอบที่แปลกใหม่
แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะให้ผลตอบแทนที่แน่นอนและกำไรนี้จะแปรผันตามอุณหภูมิ

ดังนั้นแผนงานดังกล่าวเหมาะสำหรับแผนงานAGC เท่านั้นซึ่งฟีดแบ็คที่สองจะควบคุมกำไรที่ได้ตามค่าที่ต้องการ

หากต้องตั้งค่าอัตราขยายที่แน่นอนและเชื่อถือได้วิธีการทำงานเพียงอย่างเดียวคือใช้ MOSFET ที่ควบคุมในโหมดสวิตชิ่ง (เปิด / ปิด) และตัวต้านทานปกติ:

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

— johnfound
แหล่งที่มา

แทน MOSFET แบบไม่ต่อเนื่องคุณสามารถใช้สวิทช์ CMOS แบบอะนาล็อกแบบ Quad IC CD4066

— yogece

1

@yogece ใช่ แต่ไม่จำเป็นจริงๆเพราะสวิตช์มีการต่อสายดินเพียงด้านเดียว IMO หนึ่งสามารถใช้แพคเกจของ MOSFET พลังงานต่ำบางอย่าง

— johnfound

ไม่เป็นไร

— markt

2

ทำไมคุณไม่ใช้การควบคุมอัตราขยายจากบัส SPI จาก MCU: -

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

มีชิปควบคุมกำไรอื่น ๆ ที่สามารถเปิดใช้งานโดยสายฮาร์ดแวร์ถ้าคุณไม่ชอบ SPI ฉันใช้อุปกรณ์นี้อย่างกว้างขวางและสามารถรับรองประโยชน์และความแม่นยำของมัน

สิ่ง SPI ไม่จำเป็นต้องมีความเร็วสูงและสามารถแยกได้ถ้าคุณต้องการมันจริงๆ ฉันใช้ 2MHz SPI 10 เมตรพร้อมคนขับที่เหมาะสม แต่ความเร็วที่ค่อนข้างช้าจะไม่เป็นปัญหา

— แอนดี้อาคา
แหล่งที่มา

1

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

สมมติว่าสัญญาณกราวด์แอมป์ของคุณและกราวด์ของ MCU เหมือนกันวิธีนี้จะใช้งานได้ ถ้าไม่ใช้ optocoupler เพื่อขับ MOSFET คุณสามารถเพิ่ม MOSFET หลายขนาน (ด้วยสายควบคุมแยก) เพื่อรับตัวเลือกการเพิ่มจำนวนมาก

— Markt
แหล่งที่มา

คุณสลับอินพุตของ op-amp;) แต่นอกจากนั้นเป็นวิธีที่น่าสนใจ มันต้องเป็นมอสเฟตหรือว่าไบโพลาร์จะใช้ได้หรือไม่?

— Geier

ฮ่า ๆ ไม่ได้คิดเกี่ยวกับอินพุต ;-) MOSFET จะดีกว่าเพราะมันจะนำเสนอให้กับวงจร (เมื่อใช้งาน) เป็นความต้านทานเล็กน้อยกับพื้น ฉันสงสัยว่า BJT จะดูเหมือนอ่างล้างจานในปัจจุบันนั่นคือมันจะผลักดันเส้นทางการตอบกลับของ opamp และแทรกแซงการทำงานของ opamp คุ้มค่าลองเขียงหั่นขนมแม้ว่า

— markt

@ pjc50: วิธีที่ฉันเห็นโซลูชันนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับอินพุต FET เป็น PWM ฉันไม่ต้องการใช้ PWM

— Geier

อ๊ะความคิดเห็นนั้นเกี่ยวกับคำตอบที่ผิด!

— pjc50

0

ฉันว่าความคิดที่ดีกว่าคือการใช้ optoisolator เพื่อควบคุมสวิตช์ CMOS และใช้สวิตช์นั้นในตัวต้านทาน การใส่ phototransistor ในลูปแบบนี้อาจทำให้ได้ผลลัพธ์ที่แปลก

— alex.forencich
แหล่งที่มา

0

ฉันตอบคำถามของตัวเองที่นี่เพราะฉันทำตามคำแนะนำของ jippie ฉันสร้างวงจรบนเขียงหั่นขนมและทำการวัด

แหล่งจ่ายไฟ: 5 V (7805)
Op-Amp: LM324
Opto-Isolator: SFH610A-3
R1: 21.7 k
R2: 9.83 k
R3: 21.8 k
เปิด opto-isolator ด้วยกระแส 7.7 mA

ด้วยค่าตัวต้านทานเหล่านี้การขยายที่คาดหวังคือ 2.11

นี่คือผลการวัด:

Vin     Vout measured   Vout Expected   Difference in %
0       0               0   
0.077   0.164           0.162           1.2
0.1     0.213           0.211           0.9
0.147   0.314           0.31            1.3
0.154   0.329           0.324           1.5
0.314   0.668           0.661           1.1
0.49    1.04            1.032           0.8
0.669   1.422           1.409           0.9
0.812   1.726           1.71            0.9
1       2.12            2.106           0.7
1.23    2.61            2.591           0.7
1.52    3.24            3.202           1.2
1.84    3.75            3.876           -3.3     |
2.1     3.75            4.423           -15.2    | (reached max output voltage)
2.54    3.75            5.35            -29.9    v

การวัด

นอกจากนี้ฉันวัดแรงดันข้าม R3 และออปโต - ทรานซิสเตอร์ทำให้ฉันสามารถคำนวณค่าตัวต้านทานสำหรับทรานซิสเตอร์ได้ ความผันผวนนี้จาก 400 เป็น 800 โอห์มน่าจะเป็นเพราะมัลติมิเตอร์ของฉันมีปัญหาในการวัดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก การชดเชยแอมพลิฟายเออร์ที่คาดหวังโดยการเพิ่ม 600 โอห์มถึง R3 ทำให้ความแตกต่างลดลงสูงสุดถึง 0.6%

ดังนั้นคำตอบของฉันคือ: ใช่มันจะทำงานอย่างที่ฉันคาดไว้ส่วนใหญ่อาจเป็นเพราะกระแสต่ำจนทรานซิสเตอร์ถูกใช้ในพื้นที่เชิงเส้น ฉันไม่คาดหวังผลลัพธ์เดียวกันหากตัวต้านทานที่ใช้มีความต้านทานน้อยกว่ามาก

ยังฉันเปลี่ยนวงจรของฉันเพื่อใช้วิธีการที่แนะนำโดย markt และ johnfound ดูเหมือนถูกต้องมากขึ้น

— Geier
แหล่งที่มา