Verwenden eines Optokopplers zum Ändern der Verstärkung eines Operationsverstärkers

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Betrachten Sie diese Schaltung, bei der es sich um einen nichtinvertierenden Standardverstärker mit einer Verstärkung von handelt A = 1+R1/R2.

Nichtinvertierender Standardverstärker mit A = 1 + R1 / R2

Ich möchte diesen Verstärkungswert jetzt mithilfe eines Mikrocontroller-Pins dynamisch ändern können. Ich habe diese Lösung entwickelt, die den Wert des Rückkopplungswiderstands grundlegend ändert, indem ein weiterer Widerstand parallel eingefügt wird:

Nicht invertierender Verstärker mit veränderbarer Verstärkung

Ich denke, dass die neue Verstärkung (mit eingeschaltetem Optokoppler) ist

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

Würde diese Lösung tatsächlich so funktionieren, wie ich es beabsichtigt hatte? Ich mache mir besonders Sorgen, dass die Sättigungsspannung des Fototransistors den Operationsverstärker in irgendeiner Weise beeinflussen könnte. Wenn ja, gibt es eine alternative Lösung für dieses Problem?

Geier
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1
Interessante Frage und ich bin gespannt auf die Antwort selbst. Aber Sie werden am meisten lernen, indem Sie die Schaltung aufbauen und das Ergebnis testen und dann die Ergebnisse in einer Frage diskutieren, wenn Sie sie nicht verstehen oder die Reaktion verbessern möchten.
Jippie
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Gibt es einen bestimmten Grund, warum Sie die MCU vom Operationsverstärker isolieren müssen? Ich frage, weil meine normale Antwort darin besteht, einen digitalen Topf oder einen digitalen Schalter und einige Widerstände zu verwenden, um das gleiche Ergebnis zu erzielen.
März
Schauen Sie sich dieses Datenblatt an , es enthält einige interessante Anwendungen. Es basiert auf einem Optokoppler-FET und die Eigenschaften sind AC-freundlicher als bei einem bipolaren Typ. Benötigen Sie die Isolation übrigens wirklich, kann es auch andere Optionen geben.
Jippie
@markt: Der µC befindet sich tatsächlich auf einer anderen Karte, und die Karte mit dem Operationsverstärker verfügt nur über eine 24-V-Stromversorgung. Außerdem möchte ich, dass die Schaltung so einfach wie möglich ist, daher ist es am besten, zusätzliche Kabel für die Stromversorgung usw. zu vermeiden. Aber trotzdem danke für den Vorschlag, vielleicht beiße ich in die Kugel und verwende Ihre Lösung;)
Geier
@jippie: Siehe meine Antwort auf den Kommentar von markt. Isolation wäre schön, aber ich bin auf jeden Fall neugierig auf andere Lösungen. Ich würde die Isolation dann woanders hinzufügen.
Geier

Antworten:

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Annahme : Es besteht ein gewisser Bedarf an optischer Isolation zwischen Verstärkungsregelung (uC-Ausgang) und Verstärkungsmodul.

Hier ist eine Vereinfachung des Ansatzes in der Frage, bei dem alle Transistoren / FETs aus dem Rückkopplungspfad entfernt werden und ein analoger (kontinuierlicher) Verstärkungsbereich unter Beibehaltung der Optokopplung bereitgestellt wird. Verwenden Sie einen LDR-Optokoppler, wie er in einigen klassischen und verwendet wird DIY Audioverstärker :

LDR opto

Verwenden Sie für eine einmalige oder DIY-Alternative stattdessen einen billigen und allgegenwärtigen lichtabhängigen CdS-Widerstand in Verbindung mit einer normalen LED:

LDR

Das Schema lautet also:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Der Verstärkungsregelungswiderstand ist die parallele Kombination von R1 und (R2 + R_LDR).

Durch Variieren entweder des Arbeitszyklus eines PWM-Signals oder der Spannung eines DAC-Ausgangspins des Mikrocontrollers wird die Lichtintensität der LED variiert. Wenn dies zunimmt, fällt der LED-Widerstand von einem sehr hohen Wert (dh einem geringen Einfluss auf die Verstärkungsberechnung) bei ausgeschalteter LED auf einen niedrigen Wert bei einem Tastverhältnis von nahezu 100%.

Hinweis : Bei Verwendung von PWM muss die PWM-Frequenz deutlich höher sein als das interessierende Frequenzband des Signals. Andernfalls wird die PWM in den Signalpfad eingekoppelt, wie in @ pjc50 angegeben.

Anindo Ghosh
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Würde die PWM-Frequenz nicht in den Ausgang eingekoppelt?
pjc50
Es spielt keine Rolle, es sei denn, die PWM-Frequenz liegt gut innerhalb der Audiofrequenz. LDRs reagieren sehr langsam, eine Anstiegszeit von 5 bis 10 nS ist typisch, sodass sie als Tiefpassfilter fungieren.
Anindo Ghosh
@ pjc50 Lassen Sie mich Folgendes korrigieren: OP hat nicht angegeben, in welchem ​​Frequenzbereich sich das Signal für die Verstärkung befindet. Also ja, wenn die PWM-Frequenz innerhalb oder nahe des gewünschten Bandes liegt und dennoch nicht hoch genug für die Tiefpassantwort des LDR ist Zum Einschalten würde dann die PWM in den Signalpfad eingekoppelt.
Anindo Ghosh
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Alle bereitgestellten Antworten sind mehr oder weniger praktikabel, haben jedoch einige Nachteile:

  1. Alle Antworten außer Anindo Ghosh funktionieren nur mit ziemlich niedrigen Spannungen oder haben einen kleinen Regelungsbereich (gut oder sehr hohe nichtlineare Verzerrungen).

  2. Die Lösung mit dem Fotowiderstand wird funktionieren, aber Widerstandsoptokoppler sind eine Art exotischer Elemente.

  3. Es ist fast unmöglich, eine genaue Verstärkung bereitzustellen, und diese Verstärkung variiert mit der Temperatur.

Daher sind solche Schaltpläne nur für AGC- Schaltpläne geeignet , bei denen die zweite Rückkopplung die Verstärkung auf die erforderlichen Werte reguliert.

Wenn die genaue und zuverlässige Verstärkung eingestellt werden muss, besteht die einzige Arbeitsmethode darin, MOSFETs zu verwenden, die im Schaltmodus (EIN / AUS) gesteuert werden, und normale Widerstände:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Johnfound
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Anstelle eines diskreten MOSFET können Sie auch den analogen Quad-CMOS-Switch-IC CD4066 verwenden
yogece
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@yogece Ja, aber es ist nicht wirklich notwendig, da die Schalter ein Ende geerdet haben. IMO kann man ein Paket von mehreren MOSFETs mit geringer Leistung verwenden.
Johnfound
Bitte.
März
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Warum verwenden Sie nicht eine Verstärkungsregelung von einem SPI-Bus von der MCU: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es gibt andere Gain-Control-Chips, die von Hardware-Leitungen aktiviert werden können, wenn Sie SPI nicht mögen. Ich habe dieses Gerät ausgiebig benutzt und kann für seine Nützlichkeit und Genauigkeit bürgen.

Das SPI-Material muss nicht schnell sein und kann auch isoliert werden, wenn Sie es wirklich brauchen. Ich habe 2MHz SPI 10 Meter mit anständigen Treibern gefahren, aber es ist kein Problem, mit ziemlich langsamer Geschwindigkeit zu fahren.

Andy aka
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schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Angenommen, die Signalmasse Ihres Operationsverstärkers und die Masse Ihrer MCU sind identisch, würde dieser Ansatz funktionieren. Wenn nicht, verwenden Sie einen Optokoppler, um den MOSFET anzutreiben. Sie können auch mehrere parallele MOSFETs (mit separaten Steuerleitungen) hinzufügen, um mehrere Verstärkungsoptionen zu erhalten.

markt
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Sie haben die Eingänge des Operationsverstärkers getauscht;). Davon abgesehen ist das ein interessanter Ansatz. Ist es hat ein MOSFET, oder würde eine bipolare einer Arbeit als auch sein?
Geier
lol hat nicht einmal über die Eingänge nachgedacht ;-) Ein MOSFET wäre besser, weil er der Schaltung (wenn aktiv) als kleiner Widerstand gegen Masse präsentiert wird. Ich vermute, ein BJT würde wie eine Stromsenke aussehen, dh er würde den Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers aktiv ansteuern und den Betrieb des Operationsverstärkers stören. Einen Versuch auf dem Steckbrett wert.
März
@ pjc50: Aus meiner Sicht hängt diese Lösung nicht davon ab, dass der FET-Eingang eine PWM ist. Ich möchte PWM sowieso nicht verwenden.
Geier
Hoppla, dieser Kommentar war die falsche Antwort!
pjc50
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Ich würde sagen, eine bessere Idee wäre, den Optoisolator zur Steuerung eines CMOS-Schalters zu verwenden und damit den Widerstand einzuschalten. Das Einsetzen eines solchen Fototransistors in die Schleife kann seltsame Ergebnisse haben.

alex.forencich
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Ich beantworte hier meine eigene Frage, weil ich Jippies Rat aufgegriffen habe. Ich habe die Schaltung auf ein Steckbrett gebaut und die Messungen durchgeführt.

  • Stromversorgung: 5 V (7805)
  • Operationsverstärker: LM324
  • Optoisolator: SFH610A-3
  • R1: 21,7 k
  • R2: 9,83 k
  • R3: 21,8 k
  • Opto-Isolator mit einem Strom von 7,7 mA eingeschaltet

Mit diesen Widerstandswerten beträgt die erwartete Verstärkung 2,11.

Hier sind die Messergebnisse:

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

Messung

Zusätzlich habe ich die Spannung an R3 und dem Optotransistor gemessen, um einen Widerstandswert für den Transistor berechnen zu können. Dies schwankte zwischen 400 und 800 Ohm, wahrscheinlich weil mein Multimeter Probleme hatte, die kleinen Spannungen zu messen. Durch Kompensieren der erwarteten Verstärkung durch Hinzufügen von 600 Ohm zu R3 wird die Differenz auf max. 0,6% verringert.

Meine Antwort lautet also: Ja, es wird so funktionieren, wie ich es erwartet hatte, wahrscheinlich hauptsächlich, weil die Ströme so niedrig sind, dass der Transistor in einem linearen Bereich verwendet wird. Ich würde nicht die gleichen Ergebnisse erwarten, wenn die verwendeten Widerstände viel weniger Widerstand hätten.

Trotzdem habe ich meine Schaltung geändert, um die von markt und johnfound vorgeschlagene Methode zu verwenden. Scheint korrekter.

Geier
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