Przetwarzanie sygnału za pomocą wzmacniaczy operacyjnych

Mam za zadanie odtworzyć następujący sygnał

używając tylko wzmacniaczy operacyjnych (i rezystorów).

Jestem prawie pewien, że muszę dodać dwa sygnały, kwadratowy i trójkątny kształt fali, po prostu ciężko wymyślić, jak skręcić sygnał z -8 V na 0 V.

Próbowałem uzyskać funkcję transferu zgodnie z kwadratowym sygnałem falowym V2 (od -6 V min do 0 V maks., Częstotliwość = 1 Hz) i falą trójdzielną V1 (0 V min, 2 V maks., Częstotliwość = 1 Hz), otrzymuję następujące wyjście Vo:

Vo = -2V1-2V2-4

Który spełnia poniższą tabelę Z WYJĄTKIEM PUNKTU V1 = 0, V2 = 0

    V1  V2   V0
    2   -6   8
    2   -6   4
    2    0  -8
    0    0  -4   <---HERES THE PROBLEM ! (Should be zero)
    0   -6   8

Co bym zrobił?

Zarówno kwadrat, jak i trójkąt są dostarczane jako sygnały wejściowe, obwód ich nie generuje, po prostu je przetwarza, aby w rezultacie dać sygnał pokazany na rysunku. To jest projekt, więc jest to praca domowa i ciężko nad tym pracuję. Zarówno amplituda, jak i dziedzina czasu są równie ważne.

Dodatnie nachylenie fali trójkąta wymaga dwukrotnego wzmocnienia ujemnego nachylenia, nie można tego zrobić w obwodzie opamp i oporników bez pewnej sztuczki:

Sygnał s1 = fala trójkątna, 0 V do +4 V
Sygnał s2 = fala prostokątna, 0 V do +12 V
Sygnał s3 = s1 / 2 + s2 / 2, 0 V do +8 V

$\pm$

$\times$

Schemat , tylko 2 opampy i 9 rezystorów:

Inną opcją jest ten obwód, który wykorzystuje tę samą liczbę opampów co Stevens, ale działa nieco inaczej.
Opiera się na różnych zyskach dla dodatnich / ujemnych wahań (osiągniętych dzięki diodom w obwodzie sprzężenia zwrotnego)
R2, R5 i R11 tłumią i przesuwają sygnał -6V-0V do -2V-2V, jednocześnie prezentując impedancję 1kΩ do opampa Wejście. R7 i R8 ustawiają różne wzmocnienia dla dodatnich / ujemnych wahań.
Dwa komponenty (pozytywne / negatywne podsłuchiwane z punktów „POS” i „NEG”) końcowego sygnału są następnie sumowane i odwracane przez opamp U2, i masz sygnał wyjściowy.

Symulacja:

Można zobaczyć sygnały wejściowe (niebieski / czerwony) i sygnał wyjściowy (zielony) na górnym wykresie. Na dole widać dodatnie i ujemne składniki (różowy / jasnoniebieski), które są sumowane przez U2.

EDYCJA - Więc nie ma diod?

Dla zabawy i aby zachować ograniczenia, oto ten sam obwód, ale zamiast niego używa się opampa z wejściowymi diodami ochronnymi ;-)

A oto symulacja:

Włączyłem prąd przez wejścia opamp, aby pokazać działanie diody. Wyjście jest takie samo jak pierwszy obwód. W teorii to powinno pracować z dowolnym opamp z nie-ograniczającego natężenie prądu diody ochrony wejścia kolejowego.

Problem sprawia, że ​​ten problem jest trudny, ponieważ nie masz tylko sumy fali trójkątnej i fali kwadratowej. Ujemne kroki fali prostokątnej wynoszą -12 V, ale kroki dodatnie tylko +8 V.

Próba stworzenia końcowego sygnału jako połączenia kilku sygnałów, jak sugerowali Steven i Oli, jest całkowicie poprawna i może być najlepszą odpowiedzią. Jest jednak inny sposób myślenia o tym problemie.

Rozważ kondensator, który może być ładowany i rozładowywany stałymi prądami, a także może być mocowany szybko i wysoko „natychmiast” do +8 i -8 woltów. Aby coś wybrać, użyjmy na przykład kondensatora 10 nF. Aby rozładować go o 4 V w ciągu 1 ms, wymagałoby to -40 µA. Aby go naładować, 8 V w 1 ms wymagałoby +80 µA. Możesz mieć osobne źródła mikroamperów -40 i +80, które są włączone we właściwym czasie. Jednak prawdopodobnie łatwiej jest mieć stałe źródło -40 µA i przełączalne źródło +120 µA.

Wszystko może być sterowane z fali prostokątnej 500 Hz. źródło prądu 120 µA jest włączone, gdy fala prostokątna jest dodatnia (w ciągu 1-2 ms i 3-4 ms na schemacie). Niski zacisk boczny jest włączony na krótki czas od wznoszącej się krawędzi fali kwadratowej, a wysoki szeroki zacisk od opadającego brzegu. Ponieważ napięcie jest resetowane do jednego z limitów cęgów raz na milisekundę, ta metoda ładnie zapobiega niekontrolowanemu działaniu, jeśli kroki i rampy nie sumują się dokładnie do zera na cykl.

To nie jest schemat, tylko schemat ogólnej koncepcji. Mam tranzystory NPN i PNP dla zacisków tylko po to, aby pokazać ogólny pomysł. Byłoby bardziej wymagane, jak dioda i / lub rezystor, aby zresetować C2 i C3 w czasie do następnego użycia, jeśli faktycznie zostaną zastosowane tranzystory bipolarne. Obecne źródła można tworzyć za pomocą opamps, i istnieją różne sposoby włączania i wyłączania jednego.

Ponownie, jest to koncepcja tylko z detalami pozostawionymi jako ćwiczenie. Myślę jednak, że może to być wykonalne w zależności od wielu rzeczy, których nam nie powiedziałeś, takich jak dokładność, napęd wyjściowy, prędkość krawędzi itp. Mogę zająć się bardziej szczegółowo, jeśli jest to kierunek, który Cię interesuje.

Co powiesz na dodanie przesunięcia fali prostokątnej, aby uczynić ją asymetryczną, a następnie zintegrowanie jej ze wzmacniaczem operacyjnym i odjęcie tego od oryginalnej fali prostokątnej. Nie do końca potrafię to wypracować, ale wydaje mi się to realnym podejściem.