NOK | EUR | USD

Analoge integratorer: Hvordan bruke dem på sensorgrensesnitt, signalgenerering og filtrering

Av Art Pini

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Før elektronikkverdenen ble digital, brukte kontrollsystemer baserte på løsningen av differensialligninger analog beregning for å løse disse likningene. Som et resultat, var analoge datamaskiner ganske vanlige, da nesten alle løsninger for differensialligninger krevde muligheten til å integrere signaler. Selv om kontrollsystemer stort sett har gått digital og numerisk integrasjon har erstattet analog integrasjon, er det fortsatt behov for analoge integreringskretser for drift av sensorer, signalgenerering og filtrering. Disse applikasjonene bruker integratorer basert på operasjonsforsterkere (op-amper) med kapasitive elementer i tilbakekoblingssløyfen, for å gi nødvendig signalbehandling i utrustninger med lav effekt.

Selv om det fortsatt er viktig, kan mange designere lett overse bruken av dem. Denne artikkelen gir en oversikt over integreringskretser og veiledning om riktig design, komponentvalg og beste praksis for å oppnå utmerket ytelse ved hjelp av flere eksempler fra Texas Instruments .

Grunnleggende inverteringsintegrator

Den klassiske analoge integratoren bruker en op-amp med en kondensator som et tilbakekoblingselement (figur 1).

Skjema over grunnleggende inverterende analog integrator består av en op-amp med en kondensator Figur 1: Den grunnleggende inverterende analoge integratoren består av en op-amp med en kondensator i tilbakekoblingsbanen sin. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Utgangsspenningen, V UT fra integratoren som en funksjon av inngangsspenningen, V I , kan beregnes ved å bruke ligning 1.

Ligning 1 Ligning 1

Forsterkningsfaktoren til den grunnleggende inverteringsintegratoren er -1/RC brukt på integralen til inngangsspenningen. I praksis bør kondensatorer som brukes til integratorer ha toleranser under 5 % og drift ved lav temperatur. Polyesterkondensatorer er et godt valg. Motstander med ±0,1 % toleranse bør brukes på plasser med kritiske baner.

Det er en begrensning i denne kretsen ved at ved DC (likespenning) representerer kondensatoren en åpen krets og forsterkningen går til uendelig. I en arbeidskrets vil utgangen skinne og gå til enten en positiv eller negativ strømforsyningsskinne avhengig av polariteten på DC-inngangen ulik null. Dette kan korrigeres ved å begrense integratorens DC-forsterkning (figur 2).

Skjema over stor motstand parallelt med tilbakekoblingskondensatoren Figur 2: Å legge til en stor motstand parallelt med tilbakekoblingskondensatoren begrenser DC-forsterkningen og resulterer i en praktisk integrator. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Legge til en høyverdimotstand (R F ) parallelt med tilbakekoblingskondensatoren begrenser DC-forsterkningen til basisintegratoren til verdien av -RF/R, noe som resulterer i et praktisk apparat. Dette tillegget løser DC-forsterkningsproblemet, men begrenser frekvensområdet integratoren fungerer over. Å se på en ekte krets er nyttig for å forstå denne begrensningen (figur 3).

Bilde av TINA-TI-simulering av en praktisk integrator (klikk for større bilde) Figur 3: En TINA-TI-simulering av en praktisk integrator som bruker ekte komponenter. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Denne kretsen bruker en Texas Instruments LM324 op-amp. LM324 er en god generell op-amp med lav inngangsforspenningsstrøm (45 nanoampere (nA) typisk), lav forskyvningsspenning (2 millivolt (mV) typisk)) og et forsterkningsbåndbredde-produkt på 1,2 megahertz (MHz). Kretsinngangen drives av simulatorens funksjonsgenerator med en 500 hertz (Hz) firkantbølge. Dette vises som det øvre strek på simulatorens oscilloskop. Kretsen integrerer kvadratbølgen og utgangen er en 500 Hz trekantfunksjon vist som det nedre oscilloskop-strek.

DC-forsterkningen er -270 kilohm (kΩ) / 75 kΩ eller -3,6 eller 11 desibel (dB); dette sees i overføringsfunksjonen til kretsen, vist i nedre høyre rutenett i figur 3. Frekvensresponsen ruller av ved -20 dB per tiår fra omtrent 100 Hz til omtrent 250 kilohertz (kHz). Dette er det nyttige frekvensområdet for integratorens drift, og det er relatert til op-ampens forsterkningsbåndbreddeprodukt.

En nyere op-amp er Texas Instruments sin TLV9002 . Denne forsterkeren med 1 Mhz forsterkningsbåndbredde har en inngangsforskyvningsspenning på ±0,4 mV og en ekstrem lav forspenningsstrøm på 5 picoamps (pA). Som en CMOS-forsterker er den beregnet på et bredt utvalg av bærbare enheter til en lav pris.

Det er viktig for designere å huske at en integrator er en kumulativ enhet. Som sådan, og uten passende kompensasjon, kan inngangsforspenningsstrøm og inngangsforskyvningsspenningen føre til at kondensatorspenningen øker eller synker over tid. I denne utrustningen er inngangsforspenningsstrøm og forskyvningsspenningen relativt lav, og inngangsspenningen tvinger tilbakekoblingskondensatoren til å utlades periodisk.

I autrustninger som bruker akkumuleringsfunksjonalitet, som ved måling av ladning, må det være en mekanisme for å tilbakestille spenningen og etablere startbetingelser i integratoren. Texas Instruments ACF2101BU har en slik mekanisme. Det er en dual-switched integrator som har en innebygd bryter for å tømme tilbakekoblingskondensatoren. Siden enheten er beregnet på utrustninger som krever ladningsakkumulering, har den en ekstremt lav forspenningsstrøm på 100 femtoampere (fA) og en typisk forskyvningsspenning på ±0,5 mV.

En lignende byttet integrator / transimpedansforsterker er Texas Instruments sin IVC102U . Den er beregnet på samme bruksområde som ACF2101BU, men avviker fra å være en enhet per pakke. Den har også tre interne tilbakekoblingskondensatorer. Den inneholder brytere for å tømme kondensatorbanken og til å koble inngangskilden slik at designeren har muligheten til å kontrollere integreringsperioden og inkluderer en stoppdrift, samt tømme spenningen på kondensatoren.

Grunnleggende inverteringsintegrator

Den grunnleggende integratoren inverterer signalets integral. Mens en andre inverterende op-amper koblet i serie med basisintegratoren kan gjenopprette den opprinnelige fasen, er det mulig å designe en ikke-inverterende integrator i et enkelt trinn (figur 4).

Skjema over ikke-inverterende integrator basert på en differensforsterker op-amp-konfigurasjon Figur 4: En ikke-inverterende integrator basert på en op-amp-konfigurasjon kan sikre at utgangsfasen samsvarer med inngangen. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Den ikke-inverterende versjonen av integratoren bruker en differensialintegrator for å holde utgangen i fase med inngangssignalet. Denne designen legger til ekstra passive komponenter, som bør tilpasses for optimal ytelse. Forholdet mellom inngangs- og utgangsspenningene er det samme som den grunnleggende integratoren med unntak av skiltet, som vist i ligning 2:

Ligning 2 Ligning 2

Andre tilpasninger til den grunnleggende integratoren kan realiseres ved bruk av tradisjonelle op-amp-kretser. For eksempel flere spenningsinnganger (V 1 , V 2 , V 3 , ...) kan legges til ved å summere hver gjennom sin egen inngangsmotstand (dvs. R 1 , R 2 , R 3 , ...) til den ikke-inverterende inngangen til op-ampen. Den resulterende utgangen fra denne summeringsintegratoren beregnes ved å bruke ligning 3:

Ligning 3 Ligning 3

Hvis R 1 = R 2 = R 3 = R, deretter beregnes utgangen ved bruk av ligning 4:

Ligning 4 Ligning 4

Og utgangen er integralen av summen av inngangene.

Noen vanlige integrator-utrustninger

Historisk har integratorer blitt brukt til å løse differensialligninger. For eksempel er mekanisk akselerasjon endringshastigheten eller derivatet av dens hastighet. Hastighet er derivatet av forskyvning. Integratoren kan brukes til å ta utgangen fra et akselerometer og integrere det en gang for å lese hastighet. Hvis hastighetssignalet er integrert, er utgangen forskyvning. Dette betyr at ved å bruke en integrator, kan utgangen til en enkelt svinger gi tre distinkte signaler: akselerasjon, hastighet og forskyvning (figur 5).

Skjema over akselerasjons-, hastighets- og forskyvningsavlesninger fra et akselerometer Figur 5: Ved bruk av doble integratorer kan en designer produsere akselerasjons-, hastighets- og forskyvningsavlesninger fra et akselerometer. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Inngangen fra akselerometeret er integrert og filtrert for å oppnå hastigheten. Hastigheten er integrert og filtrert for å øke forskyvningen. Merk at alle utgangene er AC-koblet. Dette eliminerer å måtte forholde seg til de første forholdene til hver integrator.

Funksjonsgenerator

Funksjonsgeneratorer, som gir ut flere typer bølgeformer, kan konstrueres med flere integratorer (figur 6).

Skjema over funksjonsgenerator designet med tre LM324-trinn (klikk for å forstørre) Figur 6: En funksjonsgenerator designet med tre LM324-trinn. OP1 er en relaksasjonsoscillator som genererer en firkantbølge; OP2 er en integrator som konverterer firkantbølgen til en trekantbølge; og OP3 er en annen integrator som fungerer som et lavpassfilter for å fjerne harmonikken i den trekantede bølgen, noe som resulterer i en sinusbølge. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Funksjonsgeneratoren er designet rundt LM324, som tidligere ble omtalt som en praktisk integrator. I denne designen, vist som en TINA-TI-simulering, brukes tre LM324 op-amper. Den første, OP1, blir brukt som en relaksasjonsoscillator og produserer en kvadratisk bølgeutgang med en frekvens bestemt av Cl og potensiometer P1. Det andre trinnet, OP2, er kablet som en integrator og konverterer firkantbølgen til en trekantbølge. Det siste trinnet, OP3, er kablet som integrator, men er funksjonelt et lavpassfilter. Filtret fjerner alle harmonikkene fra trekantbølgen og gir ut den grunnleggende frekvens sinusbølgen. Utgangene fra hvert trinn vises i simulatoroscilloskopet nede til høyre i figur 6.

Rogowski-spoler

Rogowski-spoler er en klasse av strømfølere som måler vekselstrømskilder ved hjelp av en fleksibel spole som er viklet rundt strømførende leder som måles. De brukes til å måle høyhastighetsstrømtransienter, pulserte strømmer eller 50/60 Hz linjekraft.

Rogowski-spoler utfører en funksjon som ligner på en gjeldende transformator. Den viktigste forskjellen er at Rogowski-spoler bruker en luftkjerne i motsetning til den ferromagnetiske kjernen som brukes i en strømtransformator. Luftkjernen har lavere innføringsimpedans, noe som resulterer i en raskere respons og fraværet av metningseffekter når du måler store strømmer. Rogowski-spole er ekstremt enkel å bruke (figur 7).

Forenklet skjema som viser installasjonen av en Rogowski-spole Figur 7: Et forenklet skjema om viser installasjonen av en Rogowski-spole om en strømførende leder (venstre) og den tilsvarende kretsen for dette oppsettet (til høyre). (Bildekilde: LEM USA)

En Rogowski-spole, som LEM USAART-B22-D300 er ganske enkelt viklet rundt strømførende leder som vist til venstre i figur 7. Tilsvarende krets for Rogowski-spole vises til høyre. Merk at spolens utgang er proporsjonalt med derivatet til den målte strømmen. En integrator brukes til å trekke ut den registrerte strømmen.

En referanseutforming for en Rogowski-spoleintegrator er vist i figur 8. Denne konstruksjonen har både en høypresisjonutgang som dekker et område fra 0,5 til 200 ampere (A) med en nøyaktighet på 0,5 %, og en hurtig synkeutgang over det samme strømområdet og en nøyaktighet på innen 1 % på mindre enn 15 millisekunder ( ms).

Skjema over referansedesign for en Rogowski-spoleintegrator (klikk for å forstørre) Figur 8: Denne referanseutformingen for en Rogowski-spoleintegrator bruker Texas Instruments OPA2188 som den primære op-ampen i integreringselementene i designet. (Bildekilde: Texas Instruments)

Referansedesignet bruker Texas Instruments sin OPA2188 som den primære op-ampen i integreringselementene til designet. OPA2188 er en dobbel op-amp som bruker en egenutviklet automatisk teknikk for nullstilling som resulterer i en maksimal forskyvningsspenning på 25 mikrovolt (µV) og nær nullpunktsdrift (nullpunktsvandring) med tid eller temperatur. Det har et forsterkningsbåndbredde-produkt på 2 MHz med en inngangsforspenningsstrøm på ± 160 pA, typisk.

For denne referansedesignen valgte Texas Instruments OPA2188 på grunn av sin lave forskyvning og lave forskyvningsdrift. Dessuten reduserer den lave skjevstrømmen belastningen på Rogowski-spolen.

Integratorer i filtre

Integratorer brukes i både tilstandsvariabel- og bikvadratiske filterdesign. Disse relaterte filtertypene bruker doble integratorer for å oppnå en andreordens filterrespons. Tilstandsvariabelfilteret er det mer interessante filteret ved at en enkelt design gir samtidig lavpasnings-, høypass- og båndpass-svar. Filteret bruker to integratorer sammen med et adderer/subtraherer-trinn, som vist i TINA-TI-simuleringen (figur 9). Filtresponsen for lavpassutgangen vises.

Skjema over tilstandsvariabelfilter bruker to integratorer og et adderer/subtraherer-trinn Figur 9: Tilstandsvariabelfilteret bruker to integratorer og et adderer/subtraherer-trinn for å gi ut lavpass-, høypass- og båndpass-utganger fra samme krets. (Bildekilde: Digi-Key Electronics)

Denne filtertopologien har en fordel ved at alle tre filterparametere - forsterkning, avskjæringsfrekvens og Q-faktor – er uavhengig justerbare i designprosessen. I dette eksemplet er DC-forsterkningen 1,9 (5,6 dB), avskjæringsfrekvensen er 1 kHz, og Q er 10.

Filterutforming med høyere orden oppnås ved å plassere flere tilstandsvariabelfiltre i serie. Disse filtrene brukes vanligvis til anti-aliasing foran en analog-til-digital-omformer der det forventes høyt dynamisk område og lite støy.

Konklusjon

Selv om det noen ganger virker som om verden har blitt helt digital, viser eksemplene som er omtalt i denne artikkelen at den analoge integratoren forblir et ekstremt nyttig og allsidig kretselement for signalbehandling, sensorkondisjonering, signalgenerering og filtrering.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Art Pini

Arthur (Art) Pini jobber som skribent hos Digi-Key Electronics. Han har en bachelorgrad i elektroteknikk (electrical engineering) fra City College i New York og en Master i elektroteknikk (electrical engineering) fra City University of New York. Han har over 50 års erfaring innen elektronikk og har jobbet i viktige nøkkelroller innen konstruksjon og markedsførings hos Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek og Nicolet Scientific. Han har interesser i måleteknologi og lang erfaring med oscilloskop, spektrumanalysatorer, arbitrære bølgeformgeneratorer, digitalisatorer og effektmålere.

Om denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører