Skocz do zawartości

Wzmacniacz operacyjny jako bufor z filtrem RC


Lukaszm

Pomocna odpowiedź

Hej,
W budowanym urządzeniu odczytuję pozycję wału serwomechanizmu bezpośrednio z wbudowanego potencjometru (chodzi o możliwie precyzyjne określenie pozycji nawet podczas ruchu serwa).

Działa to dobrze, jest jednak pewien problem: zakłócenia sygnału wynikającego z wahań napięcia zasilania przy zwiększonym poborze prądu. Przebieg zmian napięcia na suwaku potencjometru przedstawiają obrazki poniżej:

Zakłócenia mają kształt prostokątny o amplitudzie około 200mV, a okres między kolejnymi impulsami to 2,5ms (400Hz). Napięcie na potencjometrze zmienia się w zakresie od 0 do 2,5V.

Opisywane napięcie jest mierzone przez mikrokontroler.

W budowanym systemie staram się w miarę możliwości przerzucać niektóre funkcje z oprogramowania na hardware, więc pomyślałem, że filtrację tych zakłóceń wykonam za pomocą filtru RC ze stałą czasową około 10ms (100Hz częstotliwość odcięcia).

Nie chcę jednak podczepiać filtru bezpośrednio do suwaka potencjometru (może to wpłynąć na pracę wewnętrznego regulatora serwa + stała czasowa będzie się zmieniać wraz z pozycją), więc stwierdziłem że zastosuję wzmacniacz operacyjny w konfiguracji 'voltage follower' i na wyjściu dodam filtr RC.

No i moje pytanie jest następujące:

Czy istnieją wzmacniacze operacyjne o zasilaniu niesymetrycznym (tzn. masa i 5V) z wyjściem push-pull mogące "ściągnąć" wyjście do 0V (rail-to-rail, przy czym maksymalne napięcie wyjściowe nie musi być równe zasilającemu, liczy się dla mnie minimalne)?

Z tego co widzę to dostępne są albo rail-to-rail albo push-pull.

Z góry dzięki za pomoc

Link do komentarza
Share on other sites

Jeżeli zakłócenia pojawiające się na zasilaniu potencjometru są niesymetryczne, tj, naprawdę spada wartość średnia bo na chwilę spada poziom zasilania synchronicznie np. z impulsami PWM silnika, to na wyjściu potencjometru także wartość średnia będzie spadać i żaden filtr tego nie usunie. Filtr może pomóc na szumy i zakłócenia o charakterze przypadkowym lub okresowym znajdujące się poza pasmem sygnału który Cię interesuje. Żeby napięcie "wzorcowe" nie pływało powinieneś najpierw zadbać o prawidłowe zasilanie potencjometru, np. ze źródła stabilizowanego (choćby diody Zenera).

A teraz o wzmacniaczach. Tak jest mnóstwo wzmacniaczy które mogą pracować z niesymetrycznego zasilania. Właściwie każdy tak ma 🙂 Jedyny problem jest taki, że nie każdy umie pracować przy swoim ujemnym biegunie zasilania co powoduje, że przy niesymetrycznym zasilaniu nie będzie mógł wciągać lub wypuszczać małych sygnałów w pobliżu masy. Na szczęście tych umiejących działać w pobliżu swojego minusa jest mnóstwo (i były pierwsze) od tych rail-to-rail. Pierwszy z brzegu LM324 czy LM258 jest właśnie taki. Wystarczyło zrobić parę różnicową pnp na wejściu (co nie było wtedy jest proste) i.. jest. Wyjście także musiało pracować inaczej niż w starych 741 i podobnych. Niestety, o ile wejście takiego układu przyjmuje nawet lekko ujemne napięcia (tak do ok. -200mV, byle były odpowiednio daleko, tak z 1.5V od dodatniej szyny zasilania) o tyle z wyjściem jest gorzej. Nie ma elementów które mają zerowe napięcia przewodzenia lub zerowe rezystancje więc i napięcie wyjściowe nie może być z definicji rail-to-rail dla każdego rodzaju obciążenia. Te ostatnie cztery słowa są kluczowe. Wystarczy spojrzeć na schemat stopnia wyjściowego by to zrozumieć. Jeżeli wzmacniacz ma prąd z wyjścia wypuszczać, działa tylko górny tranzystor. Jeżeli ma wciągać (bo obciążenie jest podpięte do plusa) to działa dolny. I teraz jeśli potrzebujesz napięcia wyjściowego dokładnie od 0mV wystarczy, że włączysz obciążenie między wyjście a masę. Wtedy dolny tranzystor w ogóle nie jest potrzebny (jeżeli jest bipolarny to działa aktywnie tak do 50mV) a potem samo obciążenie powoduje, że napięcie spada w miarę wyłączania się górnego tranzystora. Jeszcze lepiej jest w przypadku wzmacniaczy z wyjściem CMOS, bo tam mamy raczej rezystancje kanału niż Ucesat tranzystora bipolarnego. No ale to dywagacje. W Twoim przypadku potencjometr podłącz albo do najtańszego LM258 (i będzie pracował od Vcc-1.5V do GND) albo weź coś fajniejszego i mniejszego, np. LMC7101 w SOT23-5. To najprostszy wzmacniacz CMOS RRIO czyli rail-to-rail input/output. Superwygodny wytrych gdy nie musisz pamiętać o offsetach, szerokim paśmie ani szumach. Twój układ właśnie taki jest 🙂 Microchip robi też dużo (i chyba tańszych) podobnych układów, np. rodzina 1MHz maluchów typu MCP6001 itp.

EDIT: Ponieważ filtr będzie wnosił dodatkowe opóźnienie do pętli sterowania, zadbałbym o to, by.. nie był potrzebny. Tak więc zasiliłbym potencjometr z filtrowanego i stabilizowanego napięcia (np. dla szyny Vcc=5V: 510R+100uF+100nF+510R+Zener 3.3V+10uF) a na wyjściu (przy samym pinie ADC) dał jedynie kondensator 1-10nF do kompensacji impulsów prądu pobieranych w czasie samplowania wejścia.

  • Pomogłeś! 1
Link do komentarza
Share on other sites

Dzięki za odpowiedź.

naprawdę spada wartość średnia bo na chwilę spada poziom zasilania synchronicznie np. z impulsami PWM silnika, to na wyjściu potencjometru także wartość średnia będzie spadać i żaden filtr tego nie usunie.

Racja, nie pomyślałem o tym. Te zakłócenia wynikają właśnie z pracy silnika. Serwomechanizm podłączony jest do układu pomiarowo-zasilającego za pomocą przewodów o długości około 20cm. Podczas ruchu pobiera dość sporo - 2A, a przewody połączeniowe nie są zbyt grube (na oko 0,35mm^2).

Więc przy zwiększonym poborze prądu spadek napięcia na przewodzie 'masowym' powoduje że mierzone napięcie na suwaku potencjometru wzrasta o ten spadek.

Tak więc zasiliłbym potencjometr z filtrowanego i stabilizowanego napięcia (np. dla szyny Vcc=5V: 510R+100uF+100nF+510R+Zener 3.3V+10uF)

Niestety nie jest to możliwe - potencjometr jest zasilany przez sterownik serwomechanizmu i w grę raczej nie wchodzą modyfikacje serwa poza dolutowaniem dodatkowych przewodów do wyprowadzenia napięcia na suwaku poza obudowę urządzenia.

I teraz jeśli potrzebujesz napięcia wyjściowego dokładnie od 0mV wystarczy, że włączysz obciążenie między wyjście a masę.

Przetestowałem sobie to rozwiązanie (z zastosowaniem układu LM324), jako obciążenie zastosowałem rezystor 100R, a w filtrze RC zastosowałem R=8k2 i C=1uF. Działa poprawnie, tzn. przy podawaniu przebiegu prostokątnego na wejście (f=10Hz, 0-5V) napięcie na wyjściu RC 'schodzi' do zera przy niskim stanie sygnału wejściowego.

Spróbuję zastosować grubszy przewód masy i zobaczę jak wtedy sytuacja będzie wyglądać.

Link do komentarza
Share on other sites

Skoro już masz poczwórny wzmacniacz operacyjny na pokładzie, bez problemu możesz zrobić kompensację spadku napięcia na masie. Przepuszczasz sygnał z potencjometru przez wtórnik napięciowy (tak jak poprzednio i tym razem buforowanie jest koniecznie, bo wejścia najprostszego wzmacniacza różnicowego pobierają prąd) a za nim wstawiasz wzmacniacz różnicowy. Na jego wejście (+) zapodajesz sygnał z wyjścia wtórnika (dzielnik wejściowy na wejściu dodającym musi stać na czystej masie lokalnej - to względem tego punktu dostaniesz napięcie wyjściowe) a wejście (-) podłączasz do tej "zdalnej" masy u podstawy potencjometru. Dopiero teraz dajesz filtr RC i tyle. Spadek napięcia na masie (z punktu widzenia wzmacniacza dodatni) będzie teraz odejmowany od sygnału z potencjometru. Jeżeli dasz oporniki 1% a najlepiej jak wybierzesz sobie 4 takie same np. 4x10k zwykłym omomierzem (nie muszą mieć 10.000k - wystarczy, że będą identyczne), możesz uzyskać nawet CMRR rzędu 40-50dB. Oczywiście nie przebije to nigdy dedykowanych wzmacniaczy różnicowych lub pomiarowych, ale do tego zastosowania wystarczy 🙂 No i kosztuje 1/20 "prawdziwego" wzmacniacza pomiarowego.

Niestety jest to tylko kompensacja błędu powstającego na przewodzie masy. Nie uwzględnia to spadku napięcia na przewodzie plusowym, ale zawsze to lepiej niż nic. Kolejne niestety to to, że wymaga czwartego przewodu pociągniętego od podstawy potencjometru (od jego "zimnego" końca").

EDIT: 100R to spore obciążenie wzmacniacza. Sprawdzałeś jaki prąd wyjściowy może z siebie wypuszczać 324? Każdy mA więcej to zmiana temperatury struktury i pogorszenie parametrów - stopnień wyjściowy wzmacniacza jest liniowy a przez górny tranzystor płynie prąd z dodatniego zasilania. Dla Vcc=8V, Uwy=1V i R=100R masz już 70mW ciepła w środku "z zagapienia". W przypadku takich układów pracuj raczej z rezystancjami rzędu kilka-kilkadziesiąt kΩ. Nie wymagają dużych prądów a jednocześnie są na tyle małe, że nie widać jeszcze upływności od brudu, wilgoci i dotykania palcami.

Link do komentarza
Share on other sites

Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.
Zarejestruj się lub zaloguj, aby ukryć tę reklamę.

jlcpcb.jpg

jlcpcb.jpg

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

Dzięki za ciekawe propozycje! Na razie pozostanę przy filtracji programowej, jeżeli projekt będzie dalej się rozwijał i będzie wymagana większa dokładność to przetestuję opisywany przez Ciebie układ.

Nie uwzględnia to spadku napięcia na przewodzie plusowym, ale zawsze to lepiej niż nic.

Akurat to nie jest potrzebne, bo napięcie zasilania potencjometru jest stabilizowane przez sterownik serwa - 2,56V.

Sprawdzałeś jaki prąd wyjściowy może z siebie wypuszczać 324?

Wg dokumentacji minimalna wartość to 20mA przy napięciu wyjściowym 2V.

Dzięki za zwrócenie uwagi na ciepło, ja cały czas zbieram doświadczenia, więc nie o wszystkich aspektach myślę, ale mam nadzieję że to przyjdzie z czasem 🙂

Link do komentarza
Share on other sites

Bądź aktywny - zaloguj się lub utwórz konto!

Tylko zarejestrowani użytkownicy mogą komentować zawartość tej strony

Utwórz konto w ~20 sekund!

Zarejestruj nowe konto, to proste!

Zarejestruj się »

Zaloguj się

Posiadasz własne konto? Użyj go!

Zaloguj się »
×
×
  • Utwórz nowe...

Ważne informacje

Ta strona używa ciasteczek (cookies), dzięki którym może działać lepiej. Więcej na ten temat znajdziesz w Polityce Prywatności.