Symetryczne napięcie zasilania wzmacniacza operacyjnego

[DrSnou]

Witam,

Nie wiem jak najprościej zasilić wzmacniacz ujemnym napięciem (-3V) mając do dyspozycji +3 lub +5 V

Mój układ (STM32F407) ma realizować regulacje PID. Na wejściu podawany jest sygnał błędu (uchybu) z zakresu (-1,1)V. Aby dopasować ten zakres do zakresu przetwornika ADC stworzyłem układ:

Widziałem przykłady z dzielnikiem napięcia i sztucznym zerem jednak przy wielu próbach zasymulowania tego nie udało mi się tego osiągnąć.

Proszę Was o pomoc.

[marek1707]

Po pierwsze, na takim wejściu nie musisz używać wzmacniacza. Nie musisz też używać symulatora, bo najprostszy układ dopasowania składa się z dwóch oporników i liczysz go w głowie. Pierwszy rezystor (R1) wystawiasz jednym końcem na wejście sygnału a drugim dołączasz do wejścia ADC. Drugi opornik (R2) podłączasz od wejścia ADC do swojego Vcc=3.3V. Narysuj to. Oczywiście tworzy się dzielnik napięcia więc z definicji ADC będzie widział trochę mniejszy zakres zmian napięcia niż ten którym dysponuje źródło sygnału, ale za to układ jest trywialny. Dając przykładowo R1=10k i R2=30k i machając wejściem od -1 do +1V dostajesz na ADC od +75mV do +1575mV więc całkiem znośnie. Teraz tylko wystarczy przeskalować wyniki z ADC i masz zmierzony sygnał. Dobierz sobie sam oporniki (prawa Ohma i Kirchoffa wystarczą) dla innego zakresu wyjściowego. Jaki zakres mierzy Twój ADC? Jakie masz tam Vref?

Wzmacniacz będzie potrzebny gdy chcesz zachować lub zwiększyć zakres, tylko po co? A nawet wtedy ujemne zasilanie wzmacniacza nie będzie potrzebne.

[DrSnou]

Tak tak, wiem. Na początku miałem właśnie taki schemat:

i dostawałem dla wej (-1...1)V wyjście (0...1.5)V ale nie wiem z jakiego powodu chciałem wzmocnić żeby mięć (0,3)V.

Zakres wejść ADC to właśnie 0..3V.

Mam też inny analogiczny układ który nie wykorzystuje ujemnych napięć

Jednak problem się powtórzy przy dopasowaniu wyjść mikrokontrolera z DAC (zakres 0...3V) chcąc wrócić do napięcia ujemnego, którym jest sygnał sterujący przykładowo (-3...3)V

Chyba, że czegoś nie rozumiem a da się inaczej zrobić

Nie mam jeszcze określonego układu sterowania ale przykładowo tym regulatorem może być np regulator prędkości przy sterowaniu silnika prądu stałego, gdzie wyjściem regulatora jest prąd zadany, który może być ujemny.

[ Dodano: 27-01-2018, 17:27 ]

Zakładając, że dopasowanie wejścia można rozwiązać wg jednego ze schematów powyżej, to większym wyzwaniem jest dla mnie drugi problem polegający na zmianie zakresu napięć wyjściowych 0...3V na np -3...3V

[marek1707]

A jaka cecha sygnału wejściowego Cię interesuje? Zwykłą prądnica tachometryczna wytwarza albo prąd zmienny (bipolarny) albo prąd "stały" (unipolarny) w zależności od wykonania. Jeżeli chcesz mierzyć prędkość, to:

a) nie musisz mierzyć obu połówek przebiegu bo przecież są symetryczne, wystarczy tylko tę "plusową" a "minusową" obcinać choćby diodą

b) możesz mierzyć częstotliwość i wtedy wystarczy prosta zamiana sygnału analogowego na cyfrowy plus timer do pomiaru.

Generalnie prądnice tego typu nie powinny być obciążane więc wzmacniacz może się przydać. Dlaczego musisz mieć zakres 0..3.3V? Przecież to tylko dwa razy więcej napięcia niż z proponowanego dzielnika a to tylko 1 bit w ADC wiecej. Gra warta świeczki?

Jeśli na wyjściu też chcesz generować napięcie bipolarne (po co? dla kogo robisz ten sygnał?) to musisz już dysponować zasilaniem ujemnym, to fakt.

Masz kilka możliwości:

- kupić gotowy moduł inwertera, taki co to bierze +3V a wypuszcza np. -3V

- to może być także np. przetwornica izolowana z wyjściem podłączonym odwrotnie

- zrobić to samemu ze scalaka step-down w konfiguracji invertera (nawet najtańszy 34063 za złotówkę to potrafi)

- zrobić pompę ładunkową choć na takiej najprostszej stracisz 2xUf diody więc z 3.3V dostaniesz ok. -2.5V. Bierzesz 555 lub nawet sygnał prostokątny (jakiś PWM) z procesora, dodajesz dwie diody, dwa kondensatory i gotowe).

Co wybierasz? To Twój projekt w końcu.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[DrSnou]

Jasne, ma Pan rację. Już wcześnie się zgodziłem z tym, że nie trzeba robić wzmocnienia x2, bo może być ten zakres 75m..1575mV.

Jeśli chodzi o tą część z sygnałem wejściowym to w zasadzie obojętne czy będzie to sygnał bipolarny czy tez unipolarny ale chciałbym (bo po prostu coś musiałem wybrać) zrobić na sygnale bipolarnym.

Sygnał na wyjściu chcę mieć także bipolarny, głównie dla celów edukacyjnych (Po prostu chcę wiedzieć jak się to robi - nie tylko dla tego projektu ale przede wszystkim dla innych w przyszłości).

Sytuacja wygląda tak:

Sygnały sterujące dostaję z obliczeń w zakresie (-3...3) a po dostosowaniu tych wartości do postaci cyfrowych 0-4095 , sygnałowi sterującemu u=-3 będzie odpowiadać 0 a u=3 -> 4095. Jednak po przejściu przez DAC bedzie sygnal analogowy (0..3) a więc żeby uzyskać z powrotem wartości symetryczne, tym razem juz napięcie (-3..3)V mogę zastosować układ ze wzmacniaczem operacyjnym. Jednak nie wiem dokładnie jak to zrobić i tu proszę o pomoc. (zakładając już że mam do dyspozycji napięcie ujemne -3V wzięte z LTC1044S8)

[marek1707]

To proste: na wyjściu DACa tak dobierasz dzielnik z dwóch oporników ("stojących" na -3V a nie na GND) aby jego napięcie wyjściowe było symetryczne względem masy i dla zmian DACa 0..+3V zmianiało się np. -500..+500mV. Teraz już tylko wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu 6 (bo z zakresu 1V masz zrobić 6V) i tyle. Wzmiacniacz oczywiście rozpięty miedzy +3 a -3V. Nie zakładałbym jednak aż tak szerokich granic, bo w zależności od obciążenia (czyli tego co na wyjściu wzmacniacza powiesisz) nie umieją one pracować od jednej szyny zasilania do drugiej. Teoretycznie niektóre tak (rail-to-rail output, RRO), ale to złe założenie projektowe. Daj conajmniej kilkaset mV z każdej strony zapasu. Pytałem co potrzebuje takiego napięcia bo to jest ważne, takich układów nie buduje się w próżni tylko dla konkretnych warnuków. W każdym razie dla zasilania ±3V radziłbym dobrać wzmocnienie tak, by dostać np. ±2.5V na wyjściu. A jeśli oczekujesz dokładnie ±3V to zwiększ zakres zasilań. Czy na pewno dodatnie jest 3V a nie 3.3V? Bo ujemne możesz zrobić jakie tylko potrzebujesz, ale nie pompą ładunkową (a taką wybrałeś). W konfiguracji inwertera z pompy dostaniesz zawsze troszkę mniej niż weszło (licząc moduł napięcia). Wyjściem jest zrobienie 5.5V z 3V (to jeden scalak w ukadzie podwajacza) a potem odwrócenie tego (drugi taki sam scalak) i masz wtedy +5.5V/-5V a to już jest coś, co spokojnie wystarczy do wyjścia ±3V. W sumie to temat rzeka...

[DrSnou]

Hmm ciekawe rozwiązanie. W zasadzie na płytce z mikrokontrolerem mam dostęp do zasilania 5V więc wystarczył by tylko ten inwerter jednak zastanawia mnie jak uzyskać odwrócone napięcie -5V po podwojeniu 3V do poziomu 5.5V ?

W międzyczasie zrobiłem coś takiego:

LM224/324 mają napięcie wejściowe równe Vcc-1.5V i wyjściowe też zmieści się w zakładanym zakresie więc takim zasilaniu było by ok.

[marek1707]

Nie. Wzmacniacz nieodwracający który zbudowałeś ma pracować na sygnałach we/wy odniesionych do GND więc jego rezystory ustalające wzmocnienie powinny "stać" na GND - to jest jego referencja. Minus 5V doprowadzasz tylko do pinu ujemnego zasilania wzmacniacza po to, by wyjście mogło przyjmować ujemne wartości.

Dobierając dzielnik wejściowy przesuwający przy okazji składową stałą nie masz wielkiego wyboru. Chcąc by na środku zakresu DACa (zakładam 1.5V) napięcie wyjściowe z dzielnika było zerowe i "stawiając" dzielnik na -3V, musisz przyjąć tylko jeden stosunek rezystancji (1:2) i tylko jeden podział napięć (2/3). Wtedy z DACowego 0..+3V dostajesz zakres zmian napięcia z dzielnika równy 2V (-1..+1V) a więc wzmocnienie wzmacniacza powinno wynieść ok. 3.

Kanonicznych układów pomp ładunkowych jest kilka. Podejrzewam, że ten Twój LTC będący (o ile pamiętam) następcą staruszka 7660 także ma kilka trybów - w tym inwertera, odwracającego polaryzację napięcia wejściowego. A mając +5V masz sprawę z głowy. Sprawdź tylko, czy wybrany wzmacniacz wytrzymuje zasilanie 10V bo dziś wiele z nich jest niskonapięciowych, np. do 5.5V. Dla ±5V będzie pasował taki działający do 16V zasilania.

EDIT: LM324 oczywiście spełnia ten warunek.

[DrSnou]

Oto układ zaproponowany przez Pana:

Wtórnik dodałem, żeby mieć stałość napięcia. Oczywiście wszystko działa prawidłowo tylko niepokoi mnie trochę fakt, że trzeba mieć dwa napięcia ujemne: -3V do dzielnika i -5V do zasilania wzmacniaczy.

Natomiast układ:

Wymaga tylko jednego napięcia ujemnego. W symulacji wszystko działa poprawnie ale:

Wzmacniacz nieodwracający który zbudowałeś ma pracować na sygnałach we/wy odniesionych do GND więc jego rezystory ustalające wzmocnienie powinny "stać" na GND - to jest jego referencja.

[marek1707]

No to tak:

W pierwszym układzie wtórnik jest zupełnie niepotrzebny. Przecież wejście plusowe wzmacniacza nie pobiera prądu dokładnie tak samo jak wejście plusowe wtórnika (który jest dokładnie takim samym wzmacniaczem tylko z gain=1). Żadne z nich nie obciąża dzielnika.

-3V to był tylko przykład. Licz sobie dzielniki jak chcesz. Oczywiście, możesz postawić dzielnik na dowolnym napięciu ujemnym, przeliczyć oporniki tak dzielnika jaki wzmacniacza i cieszyć się wyjściem w dowolnym zakresie mieszczącym się miedzy zasilaniami. Super? Nie do końca 🙁 Zauważ, że Twoje minusowe zasilanie nie jest stabilne. Pochodzi z inwertera z którego dostaniesz "coś w okolicach" -4.9..-4.5 w zależności od poboru prądu. A prąd będzie się zmieniał zarówno przy zmianach napięcia z DACa (dzielnik) jak i obciążeniu wzmacniacza, bo przecież skądś swój prąd wyjściowy musi brać. No i teraz dostajesz całą masę dziwnych błędów DC i z przykładowo 10- czy 12-bitowej rozdzielczości DACa zostaje Ci może 6 bitów bo reszta zginie w błędach. Słabo, nie? Dlatego ten minus na którym stoi dzielnik musi być zgodnie z nazwą prawdziwą referencją. Możesz dać tam jakieś tanie VREF typu TL431 zasilane z kiepskiego "-5V", ustawiasz mu dwoma opornikami napięcie i stabilizuje naprawdę dobrze. Zamiast jednego z oporników możesz dać potencjometr 10-obrotowy by precyzyjnie to napięcie ustalić. Ale.. jest lepsza metoda. Twój DAC także korzysta z jakiejś referencji, to może być Vref wbudowane w procesor, pewnie może to być zasilanie Vcc, nie wiem co tam masz. I teraz gdy pływa ta referencja, pływa też wyjście DACa i wyjście całego układu (szczególnie gdy jest to zwykłe Vcc =+3.3V). A teraz Ty sprytnie robisz wzmacniacz o wzmocnieniu -1 pobierający Vref DACa i robiący -Vref dla dzielnika. Wtedy zmiany jednego przenoszą się z odwrotnym znakiem na zmiany drugiego i masz za darmo kompensację. Jeżeli już bardzo chcesz używać wzmacniaczy, używaj ich z głową i myśl o układzie jak o całości.

W drugim układzie użycie wtórnika zależy od źródła V_REF. Jeśli jest ono sztywne to po co on tam? Tak jak pokazałeś to w sumie nie wiadomo co miałeś na myśli, przecież V_REF jest w symulatorze "nie do ruszenia", po co je buforować?

Nie polecam układów w których w jednym miejscu robisz kilka rzeczy, np. wzmocnienie i przesuwanie, bo wtedy wiele parametrów zależy od jednego opornika i nie możesz na spokojnie najpierw ustawić (jednym potencjometrem) offsetu (tj. 0V dla DACa = pół zakresu) a potem (drugim potencjometrem) zakresu zmian ±Vout (dla DACa = 0 i pełna skala). Pamiętaj, że w praktyce nigdy oporniki ani żadne napięcia nie są takie jak wpiszesz do symulatora. Już w trakcie projektowania myśl o tym które elementy będą służyły do regulacji - i czego.

Skoro zagłębiamy się w szczegóły, pokazuj w symulacji układy w miarę pełne albo miej świadomość ich wad. Udawanie że świat jest idealny nie jest dobrym podejściem inżynierskim.

-----------------------

EDIT: Mój komentarz o miejscu postawienia oporników wzmacniacza odnosił się do konkretnego schematu - gdzie produkujesz dzielnikiem napięcie symetryczne względem masy i odniesione do niej. Nie rozciągaj tego na wszystkie inne układy.

[DrSnou]

Wybacz za to wszystko, ale mam dużo teraz na głowie a w dodatku zbyt szybko chcę to zrobić i dlatego nie myślę.

A teraz Ty sprytnie robisz wzmacniacz o wzmocnieniu -1 pobierający Vref DACa i robiący -Vref dla dzielnika. Wtedy zmiany jednego przenoszą się z odwrotnym znakiem na zmiany drugiego i masz za darmo kompensację.

No naprawdę świetny pomysł. Takie rozwiązanie w praktyce będzie stabilne ? To by uprościło sytuację dość znacznie.

[marek1707]

Daj spokój, nie mam co tu wybaczać. To tylko kilka uwag do omawianych układów.

Nie wiem o co dokładnie pytasz. Stabilne będzie tak jak każdy wzmacniacz, musisz zachować standardowe warunki stabilności (margines fazy w punkcie gain=1) a o stabilność poprzednich wzmacniaczy nie pytałeś. To tylko wzmacniacz odwracający. I tak musisz wygenerować ujemne zasilanie i nim zasilać zarówno stopień wyjściowy jak i ten inwerter dla -Vref.

Ponieważ będzie pobierany prąd z +Vref, jeżeli jest to pin procesora to przyda się wtórnik. Zwykle referencje w procesorach nie mogą być obciążane. W przypadku gdy Twój DAC korzysta ze sztywnego Vcc (np. zasilania procesora), dodatkowe µA pobierane przez wejście wzmacniacza odwracającego nie mają znaczenia. Sprawdź jak jest na Twojej płytce, być może da się to ustawiać programowo w rejestrach DACa.

[DrSnou]

I tak musisz wygenerować ujemne zasilanie i nim zasilać zarówno stopień wyjściowy jak i ten inwerter dla -Vref.

-5V dla wzmacniaczy muszę mieć ale -3V dla dzielnika nie wezmę z tego odwrócenia napięcia referencyjnego DAC ?

[marek1707]

No tak, przecież właśnie na tym polega pomysł: by wyprodukować ujemną referencję dzielnika z dodatniej referencji DACa za pomocą wzmacniacza odwracającego.

Dawaj nowy schemat.

[DrSnou]

Jeśli chodzi o napięcie referencyjne DACa to napięcie zasilania procesora, czyli nie był by konieczny wtórnik tak jak Pan wspomniał wyżej.

[ Dodano: 29-01-2018, 15:17 ]

Schemat: