ตัวรวมอนาล็อก: วิธีการนำไปใช้กับอินเทอร์เฟซเซนเซอร์, การสร้างสัญญาณและการกรอง

ก่อนที่โลกอิเล็กทรอนิกส์จะเปลี่ยนแปลงเป็นโลกดิจิทัล ระบบควบคุมซึ่งมีพื้นฐานมาจากการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ ได้ใช้การคำนวณแบบอนาล็อกเพื่อแก้สมการเหล่านั้น ด้วยเหตุนี้ คอมพิวเตอร์แอนะล็อกจึงเป็นเรื่องธรรมดา เนื่องจากคำตอบเกือบทั้งหมดของสมการเชิงอนุพันธ์ต้องการความสามารถในการรวมสัญญาณ ในขณะที่ระบบควบคุมส่วนใหญ่เลิกใช้การรวมระบบดิจิทัลและตัวเลขได้เข้ามาแทนที่การรวมระบบอนาล็อก แต่ก็ยังมีความจำเป็นสำหรับวงจรรวมอนาล็อกสำหรับการทำงานของเซ็นเซอร์ การสร้างสัญญาณ และการกรอง แอปพลิเคชันเหล่านี้ใช้ผู้รวมระบบโดยอิงจากแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน (op amps) ที่มีองค์ประกอบแบบคาปาซิทีฟในลูปป้อนกลับ เพื่อให้มีการประมวลผลสัญญาณที่จำเป็นในแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานต่ำ

แม้ว่าจะยังคงมีความสำคัญ แต่นักออกแบบหลายคนอาจมองข้ามประโยชน์ใช้สอยของพวกเขาได้อย่างง่ายดาย บทความนี้ให้ภาพรวมของวงจรผู้ประกอบและคำแนะนำเกี่ยวกับการออกแบบที่เหมาะสม การเลือกส่วนประกอบ และแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมโดยใช้ตัวอย่างต่างๆ จากTexas Instruments .

ตัวรวมการกลับด้านพื้นฐาน

ตัวรวมอนาล็อกแบบคลาสสิกใช้ออปแอมป์ที่มีตัวเก็บประจุเป็นองค์ประกอบป้อนกลับ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ผู้รวมระบบอนาล็อกแบบ inverting พื้นฐานประกอบด้วย op amp ที่มีตัวเก็บประจุในเส้นทางป้อนกลับ (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

แรงดันไฟขาออก V_ออก , ของผู้รวมระบบเป็นฟังก์ชันของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า V_ใน สามารถคำนวณได้โดยใช้สมการที่ 1

สมการที่ 1

ค่าเกนแฟกเตอร์ของตัวรวมอินเวอร์ติงพื้นฐานคือ -1/RC ที่ใช้กับอินทิกรัลของแรงดันไฟฟ้าอินพุต ในทางปฏิบัติ ตัวเก็บประจุที่ใช้สำหรับผู้ประกอบเครื่องควรมีความคลาดเคลื่อนน้อยกว่า 5% และมีการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิต่ำ ตัวเก็บประจุโพลีเอสเตอร์เป็นทางเลือกที่ดี ตัวต้านทานที่มีพิกัดความเผื่อ ±0.1% ควรใช้ในตำแหน่งเส้นทางวิกฤต

วงจรนี้มีข้อจำกัดตรงที่ที่ DC ตัวเก็บประจุแทนวงจรเปิดและอัตราขยายจะเข้าสู่อนันต์ ในวงจรการทำงาน เอาต์พุตจะเป็นราง โดยไปที่รางจ่ายไฟบวกหรือลบ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขั้วของอินพุต DC ที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยจำกัดอัตราขยาย DC ของผู้รวมระบบ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การเพิ่มตัวต้านทานขนาดใหญ่ควบคู่ไปกับตัวเก็บประจุป้อนกลับจะจำกัดการรับกระแสตรงและส่งผลให้มีผู้รวมระบบที่ใช้งานได้จริง (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

การเพิ่มตัวต้านทานค่าสูง (R_NS ) ควบคู่ไปกับตัวเก็บประจุป้อนกลับจะจำกัดอัตราขยาย DC ของผู้รวมระบบพื้นฐานไว้ที่ค่า -R_NS /R ส่งผลให้อุปกรณ์ใช้งานได้จริง การเพิ่มนี้ช่วยแก้ปัญหา DC gain แต่จำกัดช่วงความถี่ที่ผู้รวมระบบทำงาน การดูวงจรจริงจะมีประโยชน์ในการทำความเข้าใจข้อจำกัดนี้ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การจำลอง TINA-TI ของผู้รวมระบบที่ใช้งานได้จริงโดยใช้ส่วนประกอบจริง (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

วงจรนี้ใช้ Texas InstrumentsLM324 ออปแอมป์ LM324 เป็น op amp วัตถุประสงค์ทั่วไปที่ดีที่มีกระแสอคติอินพุตต่ำ (45 nanoamps (nA) ทั่วไป), แรงดันออฟเซ็ตต่ำ (2 มิลลิโวลต์ (mV) ทั่วไป) และผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เกนที่ 1.2 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) อินพุตวงจรขับเคลื่อนโดยเครื่องกำเนิดฟังก์ชันของเครื่องจำลองด้วยคลื่นสี่เหลี่ยม 500 เฮิรตซ์ (Hz) ซึ่งแสดงเป็นรอยบนบนออสซิลโลสโคปของเครื่องจำลอง วงจรรวมคลื่นสี่เหลี่ยมและเอาต์พุตเป็นฟังก์ชันสามเหลี่ยม 500 Hz ที่แสดงเป็นร่องรอยของออสซิลโลสโคปที่ต่ำกว่า

เกน DC คือ -270 กิโลโอห์ม (kΩ)/75 kΩ หรือ -3.6 หรือ 11 เดซิเบล (dB); สิ่งนี้เห็นได้ในฟังก์ชันการถ่ายโอนของวงจร แสดงในตารางด้านล่างขวาในรูปที่ 3 การตอบสนองความถี่ลดลงที่ -20 dB ต่อทศวรรษจากประมาณ 100 Hz เป็นประมาณ 250 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) นี่คือช่วงความถี่ที่มีประโยชน์ของการทำงานของผู้รวมระบบและเกี่ยวข้องกับผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เกนของ op amp

op amp ที่ใหม่กว่าคือ Texas InstrumentsTLV9002 . แอมพลิฟายเออร์แบนด์วิดท์ขยายสัญญาณ 1 MHz นี้มีแรงดันออฟเซ็ตอินพุตที่ ±0.4 mV และกระแสอคติที่ต่ำมากที่ 5 picoamps (pA) ในฐานะแอมพลิฟายเออร์ CMOS นั้นมีไว้สำหรับแอพพลิเคชั่นพกพาราคาประหยัดที่หลากหลาย

เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักออกแบบที่จะต้องจำไว้ว่าผู้รวมระบบเป็นอุปกรณ์สะสม ดังนั้นหากไม่มีการชดเชยที่เหมาะสม กระแสไบแอสอินพุตและแรงดันออฟเซ็ตอินพุตอาจส่งผลให้แรงดันตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้นหรือลดลงเมื่อเวลาผ่านไป ในแอปพลิเคชั่นนี้ กระแสไบแอสอินพุตและแรงดันออฟเซ็ตค่อนข้างต่ำ และแรงดันอินพุตบังคับให้ตัวเก็บประจุป้อนกลับปล่อยเป็นระยะ

ในแอปพลิเคชันที่ใช้ฟังก์ชันการสะสม เช่น เมื่อวัดประจุ จะต้องมีกลไกในการรีเซ็ตแรงดันไฟฟ้าและกำหนดเงื่อนไขเริ่มต้นในตัวรวบรวม The Texas InstrumentsACF2101BU มีกลไกดังกล่าว เป็นผู้รวมระบบสวิตช์คู่ที่รวมสวิตช์ในตัวเพื่อปล่อยตัวเก็บประจุป้อนกลับ เนื่องจากอุปกรณ์นี้มีไว้สำหรับการใช้งานที่ต้องการการสะสมประจุ จึงมีกระแสไบแอสต่ำมากที่ 100 femptoamps (fA) และแรงดันออฟเซ็ตทั่วไปที่ ±0.5 mV

แอมพลิฟายเออร์ตัวรวม/ทรานส์อิมพีแดนซ์สวิตช์ที่คล้ายกันคือ Texas InstrumentsIVC102U . มีไว้สำหรับช่วงการใช้งานเดียวกันกับ ACF2101BU แต่แตกต่างกันในการเป็นอุปกรณ์เดียวต่อแพ็คเกจ นอกจากนี้ยังมีตัวเก็บประจุป้อนกลับภายในสามตัว ประกอบด้วยสวิตช์เพื่อคลายประจุแบตเตอรีและเชื่อมต่อแหล่งสัญญาณเข้า เพื่อให้ผู้ออกแบบมีความสามารถในการควบคุมระยะเวลาการรวมและรวมถึงการดำเนินการพัก รวมถึงการปลดปล่อยแรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุ

ผู้รวมระบบที่ไม่กลับด้าน

ตัวรวมสัญญาณพื้นฐานจะสลับอินทิกรัลของสัญญาณ แม้ว่า op amp inverting ตัวที่สองที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับ integrator พื้นฐานสามารถคืนค่าเฟสเดิมได้ แต่ก็เป็นไปได้ที่จะออกแบบตัวรวม non-inverting ในขั้นตอนเดียว (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ผู้รวมระบบที่ไม่กลับด้านตามการกำหนดค่าแอมพลิฟายเออร์ op amp ที่แตกต่างกันสามารถมั่นใจได้ว่าเฟสเอาต์พุตตรงกับของอินพุต (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

เวอร์ชันที่ไม่กลับด้านของ integrator ใช้ตัวรวมดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อให้เอาท์พุตในเฟสที่มีสัญญาณอินพุต การออกแบบนี้เพิ่มส่วนประกอบแบบพาสซีฟเพิ่มเติม ซึ่งควรจับคู่เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันอินพุตและเอาต์พุตเหมือนกับตัวรวมสัญญาณพื้นฐาน ยกเว้นเครื่องหมาย ดังแสดงในสมการที่ 2:

 สมการ 2

การปรับอื่นๆ ให้เข้ากับผู้รวมระบบพื้นฐานสามารถรับรู้ได้โดยใช้วงจรแอมป์สหกรณ์แบบดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น อินพุตแรงดันไฟฟ้าหลายตัว (V₁ , V₂ , V₃ , …) สามารถเพิ่มได้โดยการสรุปแต่ละค่าผ่านตัวต้านทานอินพุตของตัวเอง (เช่น R₁ , NS₂ , NS₃ , …) ไปยังอินพุตที่ไม่กลับด้านของ op amp ผลลัพธ์ผลลัพธ์ของตัวรวมรวมนี้คำนวณโดยใช้สมการที่ 3:

สมการ 3

ถ้า R₁ =R₂ =R₃ =R ดังนั้นผลลัพธ์จะถูกคำนวณโดยใช้สมการที่ 4:

 สมการที่ 4

และเอาท์พุตเป็นอินทิกรัลของผลรวมของอินพุท

แอปพลิเคชั่นตัวรวมทั่วไปบางตัว

ในอดีต มีการใช้อินทิเกรเตอร์ในการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ ตัวอย่างเช่น ความเร่งเชิงกลคืออัตราการเปลี่ยนแปลงหรืออนุพันธ์ของความเร็ว ความเร็วเป็นอนุพันธ์ของการกระจัด ผู้รวมระบบสามารถใช้เพื่อเอาเอาท์พุตของมาตรความเร่งและรวมเข้าด้วยกันหนึ่งครั้งเพื่ออ่านความเร็ว หากสัญญาณความเร็วถูกรวมเข้าด้วยกัน เอาต์พุตจะเป็นการกระจัด ซึ่งหมายความว่าโดยการใช้ integrator เอาต์พุตของทรานสดิวเซอร์ตัวเดียวสามารถสร้างสัญญาณที่แตกต่างกันสามแบบ: ความเร่ง ความเร็ว และการกระจัด (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: การใช้ตัวรวมแบบคู่ นักออกแบบสามารถสร้างความเร่ง ความเร็ว และการอ่านข้อมูลการกระจัดจากมาตรวัดความเร่ง (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

อินพุตจากมาตรความเร่งถูกรวมและกรองเพื่อให้ได้ความเร็ว ความเร็วถูกรวมและกรองเพื่อให้เกิดการกระจัด โปรดทราบว่าเอาต์พุตทั้งหมดเป็น AC ต่อพ่วง วิธีนี้ทำให้ไม่ต้องจัดการกับเงื่อนไขเริ่มต้นของผู้รวมระบบแต่ละราย

เครื่องกำเนิดฟังก์ชัน

ตัวสร้างฟังก์ชันซึ่งส่งออกรูปคลื่นหลายประเภท สามารถสร้างได้ด้วยตัวรวมหลายตัว (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: เครื่องกำเนิดฟังก์ชันที่ออกแบบโดยใช้ LM324 สามขั้นตอน OP1 เป็นออสซิลเลเตอร์เพื่อการผ่อนคลายที่สร้างคลื่นสี่เหลี่ยม OP2 เป็นตัวรวมที่แปลงคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นคลื่นสามเหลี่ยม และ OP3 เป็นอีกหนึ่งผู้รวมระบบที่ทำงานเป็นตัวกรองความถี่ต่ำเพื่อขจัดฮาร์โมนิกของคลื่นสามเหลี่ยมซึ่งส่งผลให้เกิดคลื่นไซน์ (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

เครื่องกำเนิดฟังก์ชันได้รับการออกแบบโดยใช้ LM324 ซึ่งได้รับการกล่าวถึงก่อนหน้านี้ในฐานะผู้รวมระบบที่ใช้งานได้จริง ในการออกแบบนี้ ซึ่งแสดงเป็นการจำลอง TINA-TI จะใช้ออปแอมป์ LM324 สามตัว อย่างแรกคือ OP1 ใช้เป็นออสซิลเลเตอร์เพื่อการผ่อนคลายและสร้างเอาต์พุตคลื่นสี่เหลี่ยมที่ความถี่ที่กำหนดโดย C1 และโพเทนชิออมิเตอร์ P1 ขั้นตอนที่สอง OP2 ต่อสายเป็นตัวรวมและแปลงคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นคลื่นสามเหลี่ยม ขั้นตอนสุดท้ายคือ OP3 ต่อสายในฐานะผู้รวมระบบ แต่ทำหน้าที่เป็นตัวกรองความถี่ต่ำ ตัวกรองเอาฮาร์โมนิกทั้งหมดออกจากคลื่นสามเหลี่ยมและส่งออกคลื่นไซน์ความถี่พื้นฐาน เอาต์พุตของแต่ละสเตจจะปรากฏในออสซิลโลสโคปจำลองที่ด้านล่างขวาของรูปที่ 6

Rogowski คอยส์

คอยล์ Rogowski เป็นคลาสของเซ็นเซอร์ปัจจุบันที่วัดแหล่งกำเนิดกระแสสลับโดยใช้คอยล์ยืดหยุ่นที่พันรอบตัวนำกระแสไฟฟ้าที่กำลังวัด ใช้สำหรับวัดกระแสชั่วคราวความเร็วสูง กระแสพัลซิ่ง หรือกำลังไฟฟ้าสาย 50/60 Hz

คอยล์ Rogowski ทำหน้าที่คล้ายกับหม้อแปลงกระแส ความแตกต่างหลักคือขดลวด Rogowski ใช้แกนอากาศซึ่งต่างจากแกนเฟอร์โรแมกเนติกที่ใช้ในหม้อแปลงกระแส แกนอากาศมีอิมพีแดนซ์แทรกที่ต่ำกว่า ส่งผลให้ตอบสนองเร็วขึ้นและไม่มีเอฟเฟกต์ความอิ่มตัวเมื่อทำการวัดกระแสขนาดใหญ่ คอยล์ Rogowski ใช้งานง่ายมาก (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: แผนภาพแบบง่ายที่แสดงการติดตั้งคอยล์ Rogowski เกี่ยวกับตัวนำกระแสไฟฟ้า (ซ้าย) และวงจรเทียบเท่าสำหรับการตั้งค่านี้ (ขวา) (แหล่งรูปภาพ: LEM USA)

คอยล์ Rogowski เช่นLEM USAART-B22-D300 ถูกพันรอบตัวนำกระแสไฟฟ้าตามที่แสดงทางด้านซ้ายในรูปที่ 7 วงจรสมมูลของคอยล์ Rogowski แสดงอยู่ทางด้านขวา โปรดทราบว่าเอาต์พุตของขดลวดเป็นสัดส่วนกับอนุพันธ์ของกระแสที่วัดได้ Integrator ใช้ในการแยกกระแสที่สัมผัสได้

การออกแบบอ้างอิงสำหรับผู้รวมคอยล์ Rogowski แสดงในรูปที่ 8 การออกแบบนี้มีทั้งเอาต์พุตที่มีความแม่นยำสูงซึ่งครอบคลุมช่วง 0.5 ถึง 200 แอมป์ (A) ที่มีความแม่นยำ 0.5% และเอาต์พุตที่ตกตะกอนอย่างรวดเร็วในช่วงกระแสเดียวกันและความแม่นยำภายใน 1% ในเวลาน้อยกว่า 15 มิลลิวินาที ( นางสาว).

รูปที่ 8: การออกแบบอ้างอิงสำหรับผู้รวมคอยล์ Rogowski ใช้ Texas InstrumentsOPA2188 เป็น op amp หลักในองค์ประกอบ integrator ของการออกแบบ (แหล่งรูปภาพ: Texas Instruments)

การออกแบบอ้างอิงใช้ OPA2188 ของ Texas Instruments เป็น op amp หลักในองค์ประกอบผู้รวมระบบของการออกแบบ OPA2188 เป็นออปแอมป์คู่ที่ใช้เทคนิคการลดค่าศูนย์อัตโนมัติที่เป็นเอกสิทธิ์เฉพาะซึ่งส่งผลให้มีแรงดันออฟเซ็ตสูงสุด 25 ไมโครโวลต์ (µV) และใกล้ศูนย์ดริฟท์ด้วยเวลาหรืออุณหภูมิ มีผลิตภัณฑ์แบนด์วิดธ์เกนที่ 2 MHz โดยมีกระแสอคติอินพุตอยู่ที่ ±160 pA โดยทั่วไป

สำหรับการออกแบบอ้างอิงนี้ Texas Instruments ได้เลือก OPA2188 เนื่องจากมีออฟเซ็ตต่ำและมีค่าออฟเซ็ตต่ำ นอกจากนี้ กระแสไบแอสต่ำยังช่วยลดภาระของคอยล์ Rogowski อีกด้วย

Integrators ในตัวกรอง

Integrators ใช้ในทั้ง state variable และ bi-quad filter ประเภทตัวกรองที่เกี่ยวข้องเหล่านี้ใช้ตัวรวมระบบคู่เพื่อรับการตอบสนองตัวกรองลำดับที่สอง ตัวกรองตัวแปรสถานะเป็นตัวกรองที่น่าสนใจกว่าเนื่องจากการออกแบบเดียวให้การตอบสนองความถี่ต่ำ ความถี่สูง และแบนด์พาสพร้อมกัน ตัวกรองใช้ตัวรวมสองตัวพร้อมกับสเตจตัวบวก/ตัวลบ ดังที่แสดงในการจำลอง TINA-TI (รูปที่ 9) การตอบสนองของตัวกรองสำหรับเอาต์พุตความถี่ต่ำจะปรากฏขึ้น

รูปที่ 9: ตัวกรองตัวแปรสถานะใช้ตัวรวมสองตัวและสเตจตัวบวก/ตัวลบเพื่อส่งออกเอาต์พุตความถี่ต่ำ ความถี่สูง และแบนด์พาสจากวงจรเดียวกัน (ที่มาของภาพ DigiKey)

โทโพโลยีตัวกรองนี้มีข้อได้เปรียบตรงที่พารามิเตอร์ตัวกรองทั้งสาม ได้แก่ เกน ความถี่คัทออฟ และปัจจัย Q สามารถปรับได้อย่างอิสระในกระบวนการออกแบบ ในตัวอย่างนี้ เกน DC คือ 1.9 (5.6 dB) ความถี่คัทออฟคือ 1 kHz และ Q คือ 10

การออกแบบตัวกรองลำดับที่สูงขึ้นทำได้โดยการวางตัวกรองตัวแปรสถานะหลายตัวเป็นชุด ตัวกรองเหล่านี้มักใช้สำหรับการลบรอยหยักที่หน้าตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล ซึ่งคาดว่าจะมีช่วงไดนามิกสูงและสัญญาณรบกวนต่ำ

สรุป

แม้ว่าบางครั้งดูเหมือนว่าโลกจะเปลี่ยนเป็นดิจิทัล แต่ตัวอย่างที่กล่าวถึงในบทความนี้แสดงให้เห็นว่าผู้รวมระบบอนาล็อกยังคงเป็นองค์ประกอบวงจรที่มีประโยชน์และหลากหลายสำหรับการประมวลผลสัญญาณ การปรับสภาพเซ็นเซอร์ การสร้างสัญญาณ และการกรอง