模擬信號(hào)處理/調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)要求、約束和利弊取舍示例

大多數(shù)創(chuàng)客項(xiàng)目的核心都是數(shù)字式的，但傳感器通常是模擬器件，需要進(jìn)行信號(hào)處理，才能與處理器模擬輸入對(duì)接。但是，低信號(hào)幅度、補(bǔ)償電壓或干擾信號(hào)問題可能導(dǎo)致信號(hào)電平超出處理器的數(shù)字化儀的數(shù)字輸入范圍，使得創(chuàng)客的設(shè)計(jì)流程變得復(fù)雜。

有些資深創(chuàng)客知道這些問題，但有些創(chuàng)客已經(jīng)忘記了模擬技術(shù)的基本知識(shí)，甚至還有很多創(chuàng)客對(duì)模擬技術(shù)一無(wú)所知。針對(duì)所有這些群體，本文將介紹模擬信號(hào)處理/調(diào)節(jié)的作用，提供幾個(gè)典型的設(shè)計(jì)要求、約束和利弊取舍示例。

同時(shí)會(huì)介紹實(shí)例器件及其應(yīng)用方式，并探討能夠加快項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開發(fā)的低成本或免費(fèi)的設(shè)計(jì)工具，以幫助開發(fā)人員控制住緊張的預(yù)算。鑒于很多創(chuàng)客項(xiàng)目的資源是有限的，本文還將深入探討哪些資源可以重復(fù)使用，以進(jìn)一步節(jié)省成本。

信號(hào)處理和運(yùn)算放大器

傳感器和數(shù)字處理器之間的模擬信號(hào)處理（或調(diào)節(jié)）的目標(biāo)是在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)之前，最大程度地減少任何有害的模擬效應(yīng)。此外，我們還可以使用低成本的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的放大、相移和濾波，使得信號(hào)完全兼容處理器輸入，從而經(jīng)濟(jì)高效地完成信號(hào)處理。

另外，信號(hào)處理可以擴(kuò)展傳感器的特征，例如對(duì)加速計(jì)的輸出進(jìn)行積分運(yùn)算，以獲取速度和位移信號(hào)。

運(yùn)算放大器是直流耦合、高增益的電壓放大器，使用差分輸入，通常產(chǎn)生單端輸出。過去，運(yùn)算放大器用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)行微分方程求解的模擬計(jì)算器。

由于具備通用性，運(yùn)算放大器現(xiàn)在成為很多模擬電路的基本構(gòu)件，包括模擬信號(hào)處理。它們廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、工業(yè)和科學(xué)設(shè)備中。由于具備低成本、隨時(shí)可獲取的優(yōu)勢(shì)，因此它們也非常適合創(chuàng)客/DIY 項(xiàng)目。

利用負(fù)反饋，運(yùn)算放大器電路的各個(gè)參數(shù)可由外部元器件控制，包括增益、帶寬以及輸入和輸出阻抗等。運(yùn)用良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，運(yùn)算放大器的性能大多不會(huì)受到制造偏差或環(huán)境條件的影響。

我們以 Texas Instruments TL081 運(yùn)算放大器為例（圖 1）。

圖 1：展示 Texas Instruments TL081 運(yùn)算放大器上連接的草圖（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

這種典型運(yùn)算放大器帶有反相和非反相差分輸入引腳和單個(gè)輸出。輸入使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET) 來(lái)確保高輸入阻抗和極低偏置電流（30 皮安 (pA)）。該放大器的典型大信號(hào)差分增益大于 100,000（直流時(shí)），單位增益帶寬積為 3 MHz。它使用通孔式封裝（兼容原型開發(fā)板）和表面貼裝式封裝。

匹配傳感器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

創(chuàng)客處理器，例如 Arduino 板，包含用于讀取模擬傳感器的模擬通道輸入。例如，Arduino Uno 有六個(gè)模擬輸入。這些輸入被復(fù)用到一個(gè) 10 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。這個(gè) 10 位 ADC 將輸入電壓范圍劃為 210 份或 1024 個(gè)電壓電平（值從 0 到 1023）。

ADC 輸入范圍取決于所選的模擬基準(zhǔn)電壓。如果使用 Arduino Uno，則默認(rèn)基準(zhǔn)電壓為 5 伏。它還有一個(gè) 1.1 伏的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，或者用戶可以輸入 0 至 5 伏之間的外部基準(zhǔn)電壓。ADC 將映射 0 伏至所選模擬基準(zhǔn)電壓之間的電壓。對(duì)于默認(rèn)的 5 伏基準(zhǔn)電壓，ADC 會(huì)映射 0 至 5 伏之間的 1024 個(gè)電平，每個(gè)電平間隔 4.88 毫伏 (mV)。要轉(zhuǎn)換雙極信號(hào)，零電平是 ADC 范圍的一半。在本例中應(yīng)為 2.5 伏。該轉(zhuǎn)換器代碼被分配相應(yīng)的值，0 伏為最大負(fù)信號(hào)值，5 伏為最大正信號(hào)值，2.5 伏正好在這個(gè)范圍的中間。

現(xiàn)在，我們以某變送器（如駐極體麥克風(fēng)）的信號(hào)為例，該信號(hào)的幅度僅為 2 mV。信號(hào)幅度小于本例中的 ADC 的最小有效電平。要將麥克風(fēng)與該 ADC 一起使用，就需要放大信號(hào)。此外，信號(hào)電平必須進(jìn)行相移，使得其中心在大約 2.5 伏的位置。可以使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這些更改。此外，還可使用配置為濾波器的運(yùn)算放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻段限制，以覆蓋所需的音頻范圍。

放大器配置

運(yùn)算放大器具有差分輸入，可設(shè)計(jì)為反相或非反相放大器（圖 2）。

圖 2：兩種基本運(yùn)算放大器配置：反相和非反相（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

運(yùn)算放大器的差分輸入有反相輸入和非反相輸入，分別以減號(hào) (-) 和加號(hào) (+) 表示。施加到反相輸入上的信號(hào)產(chǎn)生的輸出會(huì)發(fā)生 180 度相移（反相）。相反，非反相輸入的信號(hào)的輸出同相。

每種配置的增益僅取決于外部電阻器 Ra 和 Rb。導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因是運(yùn)算放大器的高開路增益，也是因?yàn)閺妮敵龅椒聪噍斎胪ㄟ^電阻器 Rb 使用了負(fù)反饋。請(qǐng)注意，反相放大器的增益取決于 Rb 與 Ra 之比。非反相放大器配置的增益為 1 + Rb/Ra。

該圖顯示了運(yùn)算放大器如何獲得增益。通過在其中一個(gè)輸入上累加一個(gè)補(bǔ)償電壓可以解決實(shí)現(xiàn)固定 DC 相移的問題（圖 3）。

圖 3：用于向反相和非反相運(yùn)算放大器配置添加相移的技術(shù)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

通過一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器即可為反相或非反相輸入累加補(bǔ)償電壓。請(qǐng)注意，補(bǔ)償電壓會(huì)受級(jí)增益影響。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)，必須牢記這一點(diǎn)。

設(shè)計(jì)工具

能夠提供放大、濾波或同時(shí)提供這兩個(gè)功能的運(yùn)算放大器電路有很多。有些運(yùn)算放大器制造商會(huì)提供免費(fèi)的設(shè)計(jì)工具，幫助評(píng)估這些電路，無(wú)需實(shí)際購(gòu)買組件和構(gòu)建原型。我們以 Texas Instruments 為例。他們提供了一個(gè)名為 TINA-TI 的免費(fèi)電路仿真程序，這是一種類 Spice 電路仿真器。Texas Instruments 還在該程序中打包提供元器件模型庫(kù)和電路示例，用戶能夠輕松上手（圖 4）。

圖 4：旨在匹配駐極體麥克風(fēng)與 Arduino 板的 TINA-TI 放大器/濾波器仿真。它采用 300-10,000 Hz 帶通濾波器，提供的增益為 100。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

該電路使用了兩個(gè) Texas Instruments OPA337NA-3K 運(yùn)算放大器。該運(yùn)算放大器是為電池供電型設(shè)備設(shè)計(jì)的，支持單電源供電、偏置電流小于 10 pA 的 JFET 輸入，以及 3 MHz 增益帶寬積。

圖 4 中的 OP1 配置為非反相放大器，增益為 10 (20 dB)。OP2 設(shè)置為多反饋低通濾波器，截止頻率為 10 kHz。該級(jí)的增益也為 10。這兩個(gè)級(jí)聯(lián)級(jí)提供的整體增益為 100 (40 dB)。輸入是 AC 耦合型，上限截止頻率大約為 300 Hz。加上低通濾波器，構(gòu)成覆蓋 300 至 10,000 Hz 頻段的帶通濾波器。

使用內(nèi)置虛擬儀器，例如 DVM、信號(hào)發(fā)生器、示波器和信號(hào)分析儀，可以測(cè)試電路性能。電路性能顯示在虛擬信號(hào)分析儀上。該圖顯示了作為頻率函數(shù)的增益。它驗(yàn)證了 300 Hz 至 10 kHz 頻段上的增益為 40 dB。

通過 R4 和 R5 設(shè)置的分壓器也會(huì)造成偏壓，為處理器 ADC 產(chǎn)生 2.5 伏的電壓偏置。

最終放大器電路

最終放大器電路（圖 5）顯示了駐極體麥克風(fēng)及其偏置電阻器。

圖 5：包括駐極體麥克風(fēng)及其相關(guān)偏置電阻器的放大器完整原理圖（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

這是最終版電路，使用與 Arduino 板相同的 5 伏電源供電。電阻器 R1 為麥克風(fēng)提供必需的偏置電流。所有其他元器件都與圖 4 中的仿真放大器相同。

單變送器，多輸出

過去，運(yùn)算放大器一直用于微分方程求解。這就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行微分和積分運(yùn)算。使用這種功能，可對(duì)加速計(jì)的輸出進(jìn)行一次積分運(yùn)算，以讀取速度。如果速度信號(hào)進(jìn)行了積分運(yùn)算，則輸出就是位移。這意味著使用運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，信號(hào)傳感器的輸出可以產(chǎn)生三個(gè)不同的信號(hào)。從單個(gè)加速計(jì)可以讀取加速度、速度和位移（圖 6）。

圖 6：使用雙積分器從提供加速度信號(hào)的加速計(jì)產(chǎn)生加速度、速度和位移讀數(shù)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）。

來(lái)自加速計(jì)的信號(hào)被直接輸出；它還進(jìn)行一次積分運(yùn)算，以產(chǎn)生速度輸出。速度信號(hào)再進(jìn)行一次積分運(yùn)算可產(chǎn)生位移信號(hào)。

該積分器在其反饋回路中使用了帶有電容器的運(yùn)算放大器。在本例中，后面還使用了第二運(yùn)算放大器，作為低通濾波器連接以限制產(chǎn)生噪聲的信號(hào)帶寬。這種技術(shù)在多種商用加速計(jì)信號(hào)調(diào)節(jié)電源中都有使用。

使用運(yùn)算放大器作為積分器時(shí)，要記住以下幾點(diǎn)。第一，積分器經(jīng)常出現(xiàn)漂移；來(lái)自運(yùn)算放大器的任何偏置電流都會(huì)在反饋電容器上積累電荷，從而導(dǎo)致輸出電壓。使用偏置電流極低的運(yùn)算放大器，例如 TL081 和 OPA337，可以最大程度地減少這個(gè)問題。

當(dāng)信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算時(shí)，會(huì)為信號(hào)加上一個(gè)積分常數(shù)。這個(gè)常數(shù)的值取決于初始條件。該電路使用 AC 耦合來(lái)消除這些 DC 常數(shù)。結(jié)果是速度和位移信號(hào)僅讀取相對(duì)值。因此，在位移信號(hào)中，您只能看到位移的變化，而不是絕對(duì)位移。對(duì)于振動(dòng)測(cè)量等應(yīng)用而言，這不會(huì)有任何問題，因?yàn)樗鼈冎恍枰灰频淖兓５荒苡糜诖_定加速計(jì)位置的絕對(duì)變化。

了解關(guān)于運(yùn)算放大器的更多信息

我們提供了多種運(yùn)算放大器培訓(xùn)套件，可幫助您研究和了解如何應(yīng)用這些實(shí)用的信號(hào)處理器件。其中最好一個(gè)的培訓(xùn)套件是 MikroElektronika 提供的 Pro Analog 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室套件。該套件是與 Texas Instruments 聯(lián)合開發(fā)的，提供了十四個(gè)使用運(yùn)算放大器及相關(guān)模擬處理元件的實(shí)驗(yàn)。該課程的內(nèi)容遠(yuǎn)比本文所提供的示例來(lái)得豐富。

總結(jié)

在涉及傳感器和數(shù)字處理器的項(xiàng)目中，運(yùn)算放大器是創(chuàng)客和 DIY 愛好者需要了解和應(yīng)用的關(guān)鍵模擬信號(hào)處理器件。運(yùn)算放大器可以提供增益，控制補(bǔ)償電壓，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，還可對(duì)傳感器輸出進(jìn)行微分或積分運(yùn)算，以確保傳感器和處理器接口得到最佳匹配。它們可在大多數(shù)業(yè)余愛好者的有限預(yù)算范圍內(nèi)，很好地完成這些任務(wù)。