מגבר רווח מתכנת באמצעות מוספט וטרנזיסטור

בתעשיית המדידה, חסימה פונקציונלית מכריעה ביותר היא מגבר רווח לתכנות (PGA). אם אתם חובבי אלקטרוניקה או סטודנטים במכללה, כנראה ראיתם מולטימטר או אוסצילוסקופ המודד מתח קטן מאוד יקר מכיוון שבמעגל יש PGA מובנה לצד ADC חזק המסייע בתהליך המדידה המדויק.

כיום, מהמדף מגבר ה- PGA מציע מגבר מבוסס מגבר, לא מגבר עם גורם רווח לתכנות על ידי המשתמש. למכשיר מסוג זה יש עכבת כניסה גבוהה מאוד, רוחב פס רחב, והפניה למתח כניסה לבחירה המובנית בתוך ה- IC. אבל כל התכונות הללו כרוכות בעלות, ומבחינתי לא שווה לשים את היקר הזה של שבב ליישום כללי.

אז כדי להתגבר על מצבים אלו, הגעתי לסידור המורכב ממגבר אופ, MOSFET וארדואינו, באמצעותו הצלחתי לשנות את הרווח של המגבר על תוכנית. לכן, במדריך זה, אני אראה לך כיצד לבנות מגבר רווח מתכנת משלך עם מגבר Op LM358 ו- MOSFETS, ואני אדון בכמה יתרונות וחסרונות של המעגל לצד הבדיקה.

יסודות אופ-מגבר

כדי להבין את פעולתו של מעגל זה, חשוב מאוד לדעת כיצד פועל מגבר תפעולי. למידע נוסף על מגבר Op על ידי ביצוע מעגל בודק מגבר זה.

באיור לעיל ניתן לראות מגבר תפעולי. התפקיד הבסיסי של מגבר הוא להגביר אות קלט, לצד הגברה, המגבר יכול גם לבצע פעולות שונות כמו סכום, בידול, שילוב וכו '. למידע נוסף על מגבר המסכם ומגבר הדיפרנציאל כאן.

ל- Op-amp יש רק שלושה מסופים. הטרמינל עם הסימן (+) נקרא קלט שאינו הפוך, והטרמינל עם הסימן (-) נקרא קלט הפוך. מלבד שני המסופים הללו, המסוף השלישי הוא מסוף הפלט.

מגבר Op פועל רק לפי שני כללים

1. שום זרם לא זורם בכניסות המגבר.
2. מגבר ה- Op מנסה לשמור על הכניסות באותן רמות מתח.

אז כששני הכללים האלה מנוקים, נוכל לנתח את המעגלים הבאים. כמו כן, למדו עוד אודות מגבר אופ על ידי מעבר במעגלים שונים המבוססים על מגבר אופ.

מגבר רווח לתכנות עובד

האיור לעיל נותן לך רעיון בסיסי לגבי סידור המעגל של מגבר ה- PGA הגס שלי. במעגל זה מגבר המגבר מוגדר כמגבר שאינו הופך, וכפי שכולנו יודעים עם סידור מעגל שאינו הפוך, אנו יכולים לשנות את הרווח של המגבר על ידי שינוי נגד המשוב או נגד הכניסה כפי שניתן לראות מהסדר המעגל שלעיל, אני רק צריך להחליף את ה- MOSFET אחד בכל פעם כדי לשנות את הרווח של המגבר.

בחלק הבדיקה עשיתי בדיוק את זה שהחלפתי את ה- MOSFET בזה אחר זה והשוויתי את הערכים הנמדדים עם הערכים המעשיים, ותוכלו לצפות בתוצאות בסעיף "בדיקת המעגל" שלמטה.

רכיבים נדרשים

1. ארדואינו ננו - 1
2. LM358 IC - 1
3. וסת LM7805 - 1
4. טרנזיסטור NPN גנרי BC548 - 2
5. BS170 MOSFET ערוצי N גנריים - 2
6. נגד 200K - 1
7. נגד 50K - 2
8. נגד 24K - 2
9. נגד 6.8K - 1
10. נגד 1K - 4
11. נגד 4.7K - 1
12. 220R, 1% נגד - 1
13. מתג מישוש כללי - 1
14. ענבר LED 3 מ"מ - 2
15. לוח לחם כללי - 1
16. חוטי מגשר כללי - 10
17. ספק כוח ± 12V - 1

תרשים סכמטי

לצורך הדגמה של מגבר רווח לתכנות, המעגל בנוי על קרש לחם ללא הלחמה בעזרת הסכמה; כדי להפחית את ההשראה והקיבול הטפילי הפנימי של קרש הלחם, כל הרכיבים הוצבו קרוב ככל האפשר.

ואם אתה תוהה מדוע יש מקבץ חוטים בקרש הלחם שלי? תן לי לומר לך שזה ליצור חיבור קרקע טוב שכן חיבורי קרקע פנימיים בקרש לחם הם גרועים מאוד.

כאן מגבר ה- OP במעגל מוגדר כמגבר לא הפוך ומתח הכניסה מווסת המתח 7805 הוא 4.99V.

הערך הנמדד עבור הנגד R6 הוא 6.75K ו- R7 הוא 220.8R שני הנגדים הללו יוצרים מחלק מתח המשמש להפקת מתח בדיקת הקלט עבור המגבר. R8 הנגדים ו R9 משמשים להגביל את זרם בסיס קלט של הטרנזיסטור T3 ו- T4. נגדים R10 ו R11 משמשים להגביל את מהירות המעבר של טרנזיסטורי MOSFET T1 & T2, אחרת, זה יכול לגרום תנודה במעגל.

בבלוג זה, אני רוצה להראות לך את הסיבה לשימוש ב- MOSFET ולא ב- BJT, ומכאן הסדר המעגל.

קוד ארדואינו ל- PGA

כאן נעשה שימוש בארדואינו ננו לשליטה בבסיס הטרנזיסטור ובשער ה- MOSFET, ומולטימטר משמש להראות את רמות המתח מכיוון שה- ADC המובנה של הארדואינו עושה עבודה גרועה מאוד, בכל הנוגע למדוד נמוך רמות מתח.

קוד Arduino מלא לפרויקט זה מופיע להלן. מכיוון שמדובר בקוד ארדואינו פשוט מאוד איננו צריכים לכלול ספריות כלשהן. אבל עלינו להגדיר כמה קבועים וסיכות קלט כפי שמוצג בקוד.

התקנת החלל () היא האבן הפונקציונלית העיקרית שבו קראו פעולת כתיבה עבור כל התשומות והתפוקות מבוצעות לפי דרישה.

#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #define BS170_WITH_24K_PIN 8 #define BC548_WITH_24K_PIN 7 #define BC548_WITH_50K_PIN 6 #define BUTTON_PIN 5 # הגדר LED_PIN1 2 # הגדר כונן_הגדרה #_ הגדר int debounce_counter = 0; הגדרת חלל () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (BS170_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (LED_PIN1, OUTPUT); pinMode (LED_PIN2, OUTPUT); pinMode (BUTTON_PIN, INPUT); } loop loop () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // קרא ערך קלט אם (val == LOW) {debounce_counter ++; אם (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0; button_is_pressed ++; } אם (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } אם (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } אם (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } אם (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH);digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } אם (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0; }}}

חישובים עבור מגבר רווח לתכנות

הערכים הנמדדים למעגל מגבר ה- PGA מוצגים להלן.

Vin = 4.99V R7 = 220.8 Ω R6 = 6.82 KΩ R5 = 199.5K R4 = 50.45K R3 = 23.99K R2 = 23.98K R1 = 50.5K

הערה! הערכים הנמדדים של הנגד מוצגים מכיוון שעם ערכי הנגד הנמדדים אנו יכולים להשוות מקרוב את הערכים התיאורטיים והערכים המעשיים.

כעת החישוב ממחשבון מחלק המתח מוצג להלן,

התפוקה של מחלק המתח היא 0.1564V

חישוב הרווח של המגבר הלא-הפוך עבור 4 הנגדים

Vout כאשר R1 הוא הנגד שנבחר

Vout = (1+ (199.5 / 50.5)) * 0.1564 = 0.77425V

Vout כאשר R2 הוא הנגד שנבחר

Vout = (1+ (199.5 / 23.98)) * 0.1564 = 1.45755V

Vout כאשר R3 הוא הנגד שנבחר

Vout = (1+ (199.5 / 23.99)) * 0.1564 = 1.45701V

Vout כאשר R4 הוא הנגד שנבחר

Vout = (1+ (199.5 / 50.45)) * 0.1564 = 0.77486V

עשיתי את כל זה כדי להשוות את הערכים התיאורטיים והמעשיים הכי קרובים שאפשר.

עם כל החישובים שנעשו, נוכל לעבור לסעיף הבדיקה.

בדיקת מעגל מגבר רווח לתכנות

התמונה לעיל מראה לך את מתח המוצא כאשר MOSFET T1 פועל, ומכאן שהזרם זורם דרך הנגד R1.

התמונה לעיל מראה לך את מתח המוצא כאשר הטרנזיסטור T4 פועל, ומכאן שהזרם זורם דרך הנגד R4.

התמונה לעיל מראה לך את מתח המוצא כאשר MOSFET T2 פועל, ומכאן שהזרם זורם דרך הנגד R2.

התמונה לעיל מראה לך את מתח המוצא כאשר הטרנזיסטור T3 פועל, ומכאן שהזרם זורם דרך הנגד R3.

כפי שניתן לראות מהסכמה ש- T1, T2 הם MOSFET ו- T3, T4 הם טרנזיסטורים. לכן כאשר משתמשים ב- MOSFET, השגיאה היא בטווח של 1 עד 5 mV, אך כאשר משתמשים בטרנזיסטורים כמתגים אנו מקבלים שגיאה בטווח של 10 עד 50 mV.

עם התוצאות הנ"ל, ברור כי ה- MOSFET הוא פיתרון ה- goto ליישום זה, והשגיאות בתיאורטיות ובמעשיות עשויות להיגרם עקב שגיאת הקיזוז של המגבר.

הערה! שימו לב שהוספתי שתי נוריות רק לצורך הבדיקה ולא תוכלו למצוא אותן בסכמה האמיתית, היא מראה קוד בינארי כדי להראות איזה סיכה פעילה

יתרונות וחסרונות של מגבר רווח לתכנות

מכיוון שמעגל זה זול, קל ופשוט, ניתן ליישמו ביישומים רבים ושונים.

כאן MOSFET משמש כמתג להעברת כל הזרם דרך הנגד לקרקע ולכן השפעת הטמפרטורה אינה בטוחה, ועם הכלים והמכשירים המוגבלים שלי לא הצלחתי להראות לכם את ההשפעות של טמפרטורה משתנה על המעגל.

המטרה של שימוש ב- BJT לצד MOSFETs היא מכיוון שאני רוצה להראות לך כמה BJT יכול להיות גרוע ליישום מסוג זה.

הערכים של נגדי המשוב ונגדי הכניסה חייבים להיות בטווח KΩ, זאת מכיוון שעם ערכי נגדים נמוכים יותר, זרם גדול יותר יזרום דרך ה- MOSFET, וכך מתח רב יותר יירד על פני ה- MOSFET ויגרום לתוצאות בלתי צפויות.

שיפור נוסף

ניתן לשנות את המעגל עוד יותר כדי לשפר את ביצועיו כמו שנוכל להוסיף את המסנן כדי לדחות רעשים בתדירות גבוהה.

כאשר משתמשים במגבר שעועית ג'לי LM358 במבחן זה, שגיאות הקיזוז של המגבר ממלאות תפקיד מרכזי במתח המוצא. כך שניתן לשפר עוד יותר באמצעות מגבר אינסטרומנטלי ולא LM358.

מעגל זה מיוצר רק למטרות הדגמה בלבד. אם אתה חושב להשתמש במעגל זה ביישום מעשי, עליך להשתמש במגבר אופטר מסוג צ'ופר ונגד דיוק גבוה 0.1 אוהם כדי להשיג יציבות מוחלטת.

אני מקווה שאהבת את המאמר הזה ולמדת ממנו משהו חדש. אם יש לך ספק, אתה יכול לשאול בתגובות למטה או להשתמש בפורומים שלנו לדיון מפורט.