亿加合和智能车制作
标题: 浅谈运放电路。 [打印本页]
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-12 15:53
标题: 浅谈运放电路。
随着第九届的结束，第十届马上又会如火如荼的准备起来了。不少的新鲜血液又会加入智能车这个大家庭，不少新手关于硬件电路这一块就是上网找个电路照着做一遍，然后凑合着用不去分析电路原理，鄙人不才在这里给新手们谈一下放大电路的有关问题。首先从第七届组委会给出的电磁放大方案开始谈，因为第五届给的是三极管方案我不大喜欢分析三极管放大，个人喜好问题请大家见谅吧。图1是组委会方案，方案的最大优点是元件够少够简洁性能也不错。为什么把放大倍数设为50倍左右呢？因为LMV358的单位增益带宽为1MHZ，我们的输入信号频率为20KHZ。所以放大倍数最大为1M/20H=50。好啦我们先分析电路。
[attach]70125[/attach]
图1
因为运放的输出电压范围不可能超过运放的供电范围，因此此电路只能放大信号的正半轴无法放大信号的负半轴，1脚输出为放大后的半个正弦波如图2所示，从图中可以看出这并不是一个正规的半波，为什么会这样呢？因为LMV358的失调电压还是比较大的，大约有几个毫伏，经过50倍放大后就把信号往上（或往下）移位了上百毫伏。如果输出信号够强那么1脚的输出就变成了幅值为5V的方波。放大器输出的信号电压变化还是很大的不能直接给单片机的ADC，所以又经过了RC滤波将其处理为稳定的直流电压信号。经过RC滤波后电压波动就很小了，这个直流电压的大小为多大呢？当放大器还在线性区即输出为半个正弦波的时候直流信号的大小为：峰值/3.14 (用一个单积分即可证明),当放大器非常饱和即输出为方波的时候直流信号的大小为：2.5V（虽然LMV358为轨对轨但是还是不能输出电源电压，并且考虑的损耗所以这个信号最大为2.4V左右）。
经过简单分析这个电路的缺点就暴露出来了：输出电压范围太窄（0-2.4V）。这个范围对于比较电压0-3.3V的ADC还是可以接受的，不过要想输出2.4V恐怕50倍的放大倍数是远远不够的。怎么解决呢？最简单的办法就是换个带宽够大的放大器，至于其他方法改天再说。
[attach]70126[/attach]
图2
补充内容 (2014-9-15 13:17):
补充内容在22楼和23楼
作者: 工大飞虎队007 时间: 2014-9-12 16:23
作者: 仰望，蘫迗 时间: 2014-9-12 16:29
作者: 1249844726 时间: 2014-9-12 17:03
作者: lions 时间: 2014-9-12 17:04
:lol
作者: 天翊 时间: 2014-9-12 17:17
作者: 囧zZZ 时间: 2014-9-12 17:50
作者: Quixote 时间: 2014-9-12 18:16
作者: 『残阳』 时间: 2014-9-12 18:49
刚好这新一届正在搞
作者: q5974 时间: 2014-9-12 19:33
作者: lovexiaoyufeng 时间: 2014-9-12 20:25
恩，感受很深，所以我们用了10块钱的运放。。。。
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-12 20:28
未完待续哦
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-12 20:36
未完待续哦
作者: 1200 时间: 2014-9-12 20:57
继续写啊
作者: 飘柔似水 时间: 2014-9-12 21:44
作者: Roy.. 时间: 2014-9-13 10:32
顶
作者: 漂--北 时间: 2014-9-13 16:03
顶楼主！！！！
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-13 16:28
周末先爽一爽等上班无聊了接着更。不知道为啥这两天登论坛怎么这么卡，比赛那两天都没有这么卡我的网速可是刚刚的。
作者: qq1358381353 时间: 2014-9-14 17:15
:):)
作者: 咔溜 时间: 2014-9-14 22:23
仪表用运放怎么样？
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 12:52
咔溜 发表于 2014-9-14 22:23 
仪表用运放怎么样？
仪放主要用在对高精度的测量中，在智能车这里没有必要。
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 12:55
接1楼就组委会给出的电路来说如果能采集峰值，而不是采集平均值那么输出电压范围不就能增加很多了吗？那么我们就来做一个简单的峰值保持电路。峰值保持电路如图3所示，一个二极管和一个电容就构成了一个简单的峰值保持电路。这个电路的原理很简单，假设输入正弦波的峰值为5V，那么正弦波达到波峰时电容c1也被充电到接近5V，当正弦波开始下降时由于二极管的单相特性C1没有放电回路，因而C1的电压被保护起来只有更高的波峰到来时C1上端的电压才回被改变。问题来了C1的电压只能升不能降我们还咋检测赛道啊？很简单加个负载电阻给C1一个放电回路就好了如图4所示。图4中的RL为什么是51K呢？因为我们小车的舵机周期为20ms，控制周期要跟随舵机周期（控制周期比舵机周期长了不行，太短了也没啥用）。在图4中的时间常数RC为5ms，把C1的电量放光大约需要4RC即20ms，这样能够跟随的上输入信号峰值的变化（因为单片机ADC有一定的漏电流，并且输入信号变化不会太快我们不需要把电放光，因此RL在实际中可以用大一点的还是根据测试来选定）。这个电路的最大输出可达4.2V左右（硅管的导通电压大约0.6V-0.7V，再考虑到各个部分的损耗）。
[attach]70180[/attach]
图3
[attach]70181[/attach]
图4
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 12:59
现在我们解决了输出电压范围不够大的问题，但是貌似对放大倍数依赖还是很大怎么办呢？我们从头来看这个电路，这个电路是对信号的正半周放大对负半周无视，如果我们能把负半周也利用起来不就把对放大倍数的依赖削弱一半吗？现在我们把电路图修改为图5的样子。
[attach]70183[/attach]
图5
这个电路想必大家都不陌生，全波放大加二倍压检波在技术报告上经常见到，现在简单地分析一下这个电路。这个电路的输入信号分为两个部分，一是经过C1耦合进来的20KHZ交流信号；二是经过R1、R2分压得到的2.5V直流信号。由于隔直电容C2的存在对于直流信号放大器相当于一个跟随器没有放大作用，对于交流信号而言具有50倍左右的放大作用。因此放大器1脚的输出就是放大后的交流信号和2.5V直流信号的叠加，如图6所示（黄线是0V）。这样就完成了全波放大，后边是二倍压整流。当然这是个正向放大还可以把电路做成反向放大的形式如图7所示。关于二倍压整流模电书上还有网上都有解释我说的肯定没有书上说的好我就不废话了。这样的话电路的输出可以达到3.4V左右（两个二极管会消耗掉1.2V还要考虑各个元件的损耗）。
[attach]70184[/attach]
图6
[attach]70185[/attach]
图7
这里所讲的放大器都是5V单电源供电的，所以仿真用的是一款轨对轨运放LMV358，如果要用非轨对轨运放比如op07、NE5532等用5V供电线性区就太窄了，需要比较高的供电电压。这些电路都是做过实物测试的，为了方便就用仿真的形式给大家看。现在就告一段落了以后想起什么再慢慢添吧。
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 13:01
工大飞虎队007 发表于 2014-9-12 16:23
难道你懂我ID的含义吗？
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 13:01
囧zZZ 发表于 2014-9-12 17:50
小伙子你知道车佛吗？
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 13:06
咔溜 发表于 2014-9-14 22:23
仪表用运放怎么样？
仪表放大器其实就是三个普通放大器做的高精度差分放大器，仪表放大器的优势在于高共模抑制比低失调电压等。仪放用于高精度的测量中，比如热电偶温度采集心电图脑电图啥的。并不是说用上仪放我们可以检测的信号电压范围就宽了，用仪放就是杀鸡用牛刀完全没必要。
作者: Roy.. 时间: 2014-9-15 14:07
希望楼主再多给我们这些硬件小白菜科普点知识啊~
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-9-15 14:15
Roy.. 发表于 2014-9-15 14:07
希望楼主再多给我们这些硬件小白菜科普点知识啊~
学习硬件就从放大电路开始。我也是小白。
作者: Roy.. 时间: 2014-9-15 17:38
围场最黑窝窝头 发表于 2014-9-15 14:15
学习硬件就从放大电路开始。我也是小白。
嗯，共勉共勉
作者: 槛花笼鹤 时间: 2014-11-11 16:22
围场最黑窝窝头 发表于 2014-9-15 12:59
现在我们解决了输出电压范围不够大的问题，但是貌似对放大倍数依赖还是很大怎么办呢？我们从头来看这个电路 ...
顶！
作者: ゛Hilo$ 时间: 2014-11-12 21:22
围场最黑窝窝头 发表于 2014-9-15 12:59
现在我们解决了输出电压范围不够大的问题，但是貌似对放大倍数依赖还是很大怎么办呢？我们从头来看这个电路 ...
很厉害的样子
作者: 雕琢时光 时间: 2014-11-13 23:07
豁然开朗啊。赞
作者: 空有一人 时间: 2014-11-14 12:16
作者: w67104492 时间: 2014-11-14 17:54
作者: 1184951227 时间: 2014-11-17 19:59
好帖
作者: advance 时间: 2014-11-24 18:50
还是看不懂
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-11-25 08:28
advance 发表于 2014-11-24 18:50
还是看不懂
:'(:'(
作者: 高原枫叶 时间: 2014-11-25 15:37
讲的非常好！
作者: 清风飘过 时间: 2014-11-30 13:44
围场最黑窝窝头 发表于 2014-9-15 12:59
现在我们解决了输出电压范围不够大的问题，但是貌似对放大倍数依赖还是很大怎么办呢？我们从头来看这个电路 ...
我理解不了RL是怎样计算出来的
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2014-11-30 17:55
清风飘过 发表于 2014-11-30 13:44
我理解不了RL是怎样计算出来的
学电路这本书了吗？会算电容的充放电时间吗？
作者: 清风飘过 时间: 2014-11-30 18:13
围场最黑窝窝头 发表于 2014-11-30 17:55
学电路这本书了吗？会算电容的充放电时间吗？
恩恩 学过 当时没有好好学，看来有要复习电路了
作者: SnF_vy 时间: 2015-1-1 16:10
我用图7方式搭了电路，电感要靠很近才有明显输出值，10cm以上基本没有了是为何
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2015-1-1 17:52
SnF_vy 发表于 2015-1-1 16:10
我用图7方式搭了电路，电感要靠很近才有明显输出值，10cm以上基本没有了是为何
用示波器看6.8nf电容上的波形以及放大器输出端（1管脚的波形），看输入和输出的放大倍数是否和理论一致。如果一致那就是电感电容没搭配好，或者你铺的铜线距离过近通过电感的磁通量抵消掉了。如果放大倍数达不到理论值就检查电路是否焊接错误，最后检查元件是否损坏。
作者: SnF_vy 时间: 2015-1-1 18:13
围场最黑窝窝头 发表于 2015-1-1 17:52
用示波器看6.8nf电容上的波形以及放大器输出端（1管脚的波形），看输入和输出的放大倍数是否和理论一致。 ...
有人认为这个反相电路输入阻抗偏小，我也这么怀疑过，毕竟LC谐振阻抗太高，对于6.8nf电容的储能，应该很容易被耗尽，理论上这个电路肯定是没问题的，只是信号源阻抗问题，不只大神有何想法
作者: SnF_vy 时间: 2015-1-1 18:18
围场最黑窝窝头 发表于 2015-1-1 17:52
用示波器看6.8nf电容上的波形以及放大器输出端（1管脚的波形），看输入和输出的放大倍数是否和理论一致。 ...
另外，我用信号发生器作输入是没问题的，但是信号源换成LC就有点疲软了，电容电感匹配肯定没问题
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2015-1-1 19:07
本帖最后由 围场最黑窝窝头 于 2015-1-1 19:10 编辑
SnF_vy 发表于 2015-1-1 18:18
另外，我用信号发生器作输入是没问题的，但是信号源换成LC就有点疲软了，电容电感匹配肯定没问题
这个电路的输入阻抗只有1K，你可以把反馈回路调成10K和510K试试。
作者: SnF_vy 时间: 2015-1-1 19:13
围场最黑窝窝头 发表于 2015-1-1 19:07
这个电路的输入阻抗只有1K，你可以把反馈回路调成10K和510K试试。
试过了，还是有点不行
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2015-1-2 09:22
SnF_vy 发表于 2015-1-1 19:13
试过了，还是有点不行
不至于连10厘米都测不到啊，386还能测个二三十呢。你测试用的导线铺了一个多大的框，还是直接在铺好的赛道上测的？
作者: SnF_vy 时间: 2015-1-2 15:18
围场最黑窝窝头 发表于 2015-1-2 09:22
不至于连10厘米都测不到啊，386还能测个二三十呢。你测试用的导线铺了一个多大的框，还是直接在铺好的赛道 ...
不是测不到 是电压比较小 小于500mV 电感用的10mh 电容用的校正6.8nF 谐振点没有完全在20kHz 难道要把电感绕下来几圈？
作者: 围场最黑窝窝头 时间: 2015-1-2 18:10
SnF_vy 发表于 2015-1-2 15:18
不是测不到 是电压比较小 小于500mV 电感用的10mh 电容用的校正6.8nF 谐振点没有完全在20kHz 难道 ...
我的意思是说你通20khz的导线是怎么铺的，会不会旁边有条平行线，有的话电感抬高通过电感的磁通量就很少了。测试的时候保证通电的导线旁边没有其他导线。
作者: SnF_vy 时间: 2015-1-2 18:16
围场最黑窝窝头 发表于 2015-1-2 18:10
我的意思是说你通20khz的导线是怎么铺的，会不会旁边有条平行线，有的话电感抬高通过电感的磁通量就很少了 ...
这个肯定没有，我有一辆电磁车做验证的，20cm可以到1.5V，新做的反相放大100倍20cm只能大约有600mv，芯片带宽6.6M
作者: 墨念 时间: 2015-1-3 22:13
:kiss::kiss::kiss::kiss::kiss::kiss::kiss:
作者: 等待… 时间: 2015-5-18 21:34
楼主为啥我按你的那个电路图焊的洞洞测试板，电压值衰减的特快？
作者: 你好智能车 时间: 2015-5-30 14:57
好贴 谢谢了
作者: zhongmulin 时间: 2016-11-29 09:24
楼主，我用multisim仿真类似的电路图（只是把你上面的图的LMV358改成了LM358），但示波器观察却不是半个正弦波，是整个正弦波。用proteus能仿真出你上面的结果。不知道是哪里出了问题，能帮忙看一下吗？
作者: 小橙子 时间: 2016-11-29 09:47
可以单电源供电
作者: 2262744322 时间: 2019-3-24 23:26
满满的干货 大佬不要停
作者: qinlu123 时间: 2020-6-24 09:30
本帖最后由 qinlu123 于 2020-6-24 09:33 编辑
其实23楼提供的电路并不是特别好，一是电路比较复杂器件太多，二是电路的输入阻抗太小（（R1//R2）+R3）。下面再给出一个方案如下图所示，通过仿真图可以看出和23楼效果一样。但是有一个小问题，放大后的正弦波的直流分量(共模电压)并不是2.5V而是稍稍往上偏了，为什么会这样呢？这是因为LMV358的Vos太大了，并且这个电路会对Vos进行放大（而23楼的图不会对Vos进行放大，通过节点电流法可以轻松证明）。但这并不是事，现在好多放大器的Vos轻松实现uV级别价格还便宜（好多国产放大器已经很优秀了）可以轻松胜任电磁信号的运放。图中的2.5V花一两块钱买个基准源就行了（所有电磁放大共用一个基准源就行）。最后说一句，如果用3.3V给放大器供电记得把基准源换成3.3V的一半大小也就是1.65V。PS：二倍压电路没有画出来不代表不用哦。
[attach]95104[/attach]
作者: aytc100 时间: 2020-6-24 16:14
实际上直流分量稍微偏一点也不是事儿，因为后级电路是取交流分量做二倍压的。直流分量偏离1/2vcc只会在信号接近饱和的时候稍早一点出现非线性而已
作者: qinlu123 时间: 2020-6-25 18:51
本帖最后由 qinlu123 于 2020-6-25 18:55 编辑
是的，二倍压电路取信号的峰峰值和信号的直流分量没关系，只是直流分量偏移会使放大倍数不能调到最大，会比不偏更早地出现削波（饱和失真和截止失真）。
| 欢迎光临 亿加合和智能车制作 (http://111.231.132.190/) |
Powered by Discuz! X3.2 |