á 2025/05/2 14,679

Mismunandi magnara útskýrði: að byggja og hámarka nákvæmni merkisrásir

Þessi handbók talar um mismunadreifara, sérstakar hringrásir sem hjálpa til við að taka upp muninn á tveimur merkjum meðan þeir hunsa öll hávaða sem bæði merki deila.Það skýrir hvernig mismunadreifingar virka, hvernig þeir eru smíðaðir með rekstrar magnara (op-AMPS) og hvernig viðnám stjórnar því hversu mikið merkið magnast.Það sýnir einnig hvernig á að takast á við veik merki með því að bæta við stuðpúða, hvernig á að hanna hringrásina á réttan hátt og hvernig á að nota þessa magnara eins og samanburð og sjálfvirka ljósrofa.Hvort sem þú ert að vinna með skynjara, hljóðkerfi eða stjórnrásir, þá gefur þessi handbók þér skýran og einfaldan skilning á því hvers vegna mismunadreifingar eru svo mikilvægir og hvernig á að nota þá.

Vörulisti

Hvað er mismunadrifari?

A. Mismunandi magnari er kjarninn í mörgum hliðstæðum kerfum.Meginhlutverk þess er að magna spennumuninn á milli tveggja inntaksmerkja meðan þú hunsar alla spennu sem er sameiginlegt fyrir hvort tveggja.Þessi sértæka mögnun er það sem gerir það svo gagnlegt í hávaðasömu umhverfi.Þegar truflun eins og rafsegulhljóð eða raflína Hum hefur áhrif á báðar aðföng jafnt, þá niðurfellir magnari það á áhrifaríkan hátt.

Þessi geta er kölluð höfnun á sameiginlegum hætti.Hátt sameiginleg höfnunarhlutfall (CMRR) tryggir að magnari einbeitir sér aðeins að raunverulegum merkismun, sem hjálpar til við að varðveita nákvæmni.Til dæmis, í lækningatækjum eins og hjartalínuritum, eru rafmagnsmerki hjartans pínulítill og oft grafinn í hávaða.Mismunandi magnara dregur út þessi merki hreint, sem gerir kleift að fá áreiðanlegar upplestur.Sama meginregla gildir í iðnaðar- eða hljóðkerfi, þar sem nákvæmni og mótspyrna gegn hávaða eru mikilvæg.

Þegar merki ferðast langar vegalengdir, svo sem í gegnum snúið par snúrur í gagnaöflunarkerfi, taka báðir vír upp svipaða truflun.Mismunandi magnari fellir niður þennan sameiginlega hávaða og magnar aðeins gagnlegan merkismun.Vegna þessa er það lykilþáttur í nákvæmni rafeindatækni sem notuð er í öllu frá skynjaraviðmótum til hágæða hljóðs.

Op-AMPS í mismunamögnun

Op-AMP, stutt fyrir rekstrarmagnara, er rafræn hluti sem getur gert lítil spennumerki miklu stærri.Það hefur tvo inntakspinna: annar er kallaður inntak sem ekki er snúið (merkt með „+“) og hin er hvolft inntak (merkt með „-“).Op-Amp ber saman spennuna við þessi tvö aðföng og gefur framleiðsla út frá mismuninum á milli þeirra.Út af fyrir sig hefur OP-AMP mjög mikill ávinningur, sem þýðir að jafnvel örlítið spennumun á milli aðfönganna tveggja getur ýtt framleiðslunni að hámarki eða lágmarksstigi.Þetta gerir það of viðkvæmt fyrir flesta notkun.Til að laga þetta bætum við við einhverju sem kallast neikvæð viðbrögð, þetta er þegar hluti framleiðslunnar er sendur aftur í snúningsinntakið í gegnum viðnám.Þetta hjálpar Op-Amp að halda framleiðslunni á stöðugu og gagnlegu stigi.Viðnámin stjórna því hve mikið op-AMP magnar muninn á aðföngunum tveimur.

Mynd 2. Op-AMPS í mismunamögnun

Myndin sýnir sérstaka uppsetningu sem kallast mismunadrifari, stundum kallað Diff magnari í stuttu máli.Það notar fjögur viðnám (R₁, R₂, R₃ og R₄) og tvö inntaksmerki: V₁ og V₂.Op-Amp lítur á hversu mismunandi v₁ og v₂ eru og gefur framleiðsla spennu v₀ sem byggist á þeim mismun.Svona hringrás er frábær til að taka upp mismuninn á milli tveggja merkja meðan þú hunsar hvaða hávaða eða óæskileg merki sem eru þau sömu á báðum aðföngum.Þess vegna er það notað í hlutum eins og skynjararásum, hljóðkerfum og mælitækjum þar sem þú þarft skýr og nákvæm merki.

Byggja upp mismunadrifara með ákveðnum ávinningi

Hringrásarhönnun

Til að búa til mismunadrifara sem virkar á skýran og áreiðanlegan hátt, notaðu jafnvægi uppsetningar með fjórum viðnámum.Skýringarmyndin sýnir hvernig þetta er gert með op-AMP (rekstrar magnara), tveimur innspennum (V₁ og V₂) og fjórum viðnámum: R1, R2, R3 og R4.

Mynd 3. Mismunandi magnara hringrás með samhverfu viðnámsneti

Í þessari hringrás er fyrsta inntaksspenna, V₁, send í gegnum viðnám R1 við hvolft inntak Op-AMP (merkt með mínus merki).Önnur inntaksspennan, V₂, fer í gegnum viðnám R3 við inntakið sem ekki er snúið (merkt með plúsmerki).Síðan tengir viðnám R2 inverting inntakið við jörðu og viðnám R4 tengir framleiðsla op-AMP aftur við inverting inntakið.Þessi endurgjöf lykkja hjálpar op-AMP að stjórna framleiðslunni og halda mismuninum á milli tveggja aðfönganna.

Meginhugmynd þessa magnara er að mæla muninn á V₂ og V₁ og margfalda þann mun með ákveðinni magni, þetta er kallað ávinningurinn.Hagnaðurinn er settur með því að velja rétt viðnámsgildi.Ef R1 og R3 hafa sama gildi og R2 og R4 hafa einnig sama gildi mun hringrásin virka vel og gefa hreina, nákvæman framleiðsla.Að hafa jafna viðnám er mjög mikilvægt.Þegar viðnám er samsvarað getur hringrásin hunsað hvaða hávaða eða truflun sem er sú sama á báðum inntakslínum.Þetta er kallað höfnun á sameiginlegum hætti og það hjálpar til við að halda framleiðsla merkinu hreinu.Ef viðnámunum er ekki samsvarað vel gæti hringrásin látið óæskileg merki í gegn, sem getur klúðrað framleiðslunni.

Til að forðast þetta, notaðu viðnám viðnám sem eru mjög nálægt gildi, oft innan 0,1% frá hvort öðru.Í fullkomnari hönnun, eins og þeim sem finnast í örflögunum, eru viðnámsgildin aðlöguð vandlega með því að nota leysir snyrtingu til að ganga úr skugga um að allt sé í jafnvægi.Í öðrum tilvikum skaltu einnig hugsa um hitastig, vegna þess að hiti getur breytt því hvernig viðnám hegðar sér.Svo, þeir reyna að velja viðnám sem hafa ekki mikið fyrir áhrifum af hitastigi eða raða þeim á þann hátt sem heldur hlutunum stöðugum.Þessi einfalda tegund mismunadrifara er oft notuð sem upphafspunktur fyrir flóknari kerfi, svo sem tækjabúnað magnara.Þessar hringrásir nota aukahluta til að bæta afköst enn meira, sérstaklega þegar þeir vinna með mjög lítil merki í hávaðasömu umhverfi.

Útreikningur ávinningur

Hagnaður mismunadrifamagnara er mælikvarði á hversu mikið hringrásin eykur mismuninn á milli inntaksspennu, V₁ og V₂.Með öðrum orðum, Gain segir okkur hve miklu stærri framleiðslan verður borin saman við mismuninn á milli inntaksmerkjanna.Þessi ávinningur er stilltur af viðnámunum í hringrásinni sérstaklega með því að bera saman gildi inntaksviðnámanna og endurgjöf viðnámsins.Ef við stillum viðnám á jafnvægi verður að reikna út hagnaðinn mjög einfaldur.Segjum að R1 sé sá sami og R3 og R2 er sá sami og R4.Uppsetning af þessu tagi er kölluð samhverf og það hjálpar hringrásinni að vinna nákvæmari.Í þessu tilfelli lítur formúlan fyrir ávinning magnara svona:

Þessi formúla þýðir að magnari tekur muninn á V₂ og V₁ og margfaldar það með númerinu sem þú færð þegar þú skiptir R2 með R1.Þannig að ef R2 er tvöfalt stærri en R1, verður framleiðslan tvisvar sinnum munurinn á V₂ og V₁.

Hér er dæmi:

Ef v₂ = 3 volt og v₁ = 1 volt er munurinn 2 volt.

Ef R2 er 10kΩ og R1 er 5kΩ, þá er hagnaðurinn 10k / 5k = 2.

Þannig að framleiðsla spenna verður 2 × 2 = 4 volt.

Ef þú gerir alla fjóra mótspyrnurnar eins (R1 = R2 = R3 = R4) verður ávinningurinn 1. Það þýðir að magnari breytir ekki stærð mismunsins, það fer bara muninn á framleiðslunni eins og hann er.Þetta er gagnlegt þegar þú vilt bara mæla eða fara með merki án þess að gera það sterkara.Stundum þarftu þó að framleiðslan sé sterkari, sérstaklega ef inntaksmerkin eru mjög lítil.Til að gera þetta geturðu gert R2 og R4 stærri en R1 og R3.Þetta eykur ávinninginn og gerir framleiðsla merki stærra.Til dæmis, ef R2 er tífalt stærri en R1, er ávinningurinn 10 og framleiðslan er tífalt innsláttarmunur.

En aukinn ávinningur hefur einnig hæðir.Mikill ávinningur getur einnig gert óæskileg merki, eins og hávaða eða truflun, sterkari.Það gæti jafnvel látið örsmáar spennuskekkjur líta stórar út.Þetta getur gert framleiðsla magnarans hávær eða ónákvæm.Svo það er mikilvægt að velja viðnámsgildin vandlega, þannig að ávinningurinn er nógu mikill til að sjá merkið skýrt, en ekki svo hátt að það veldur vandamálum.Einnig eru Op-Amps ekki fullkomnir.Þeir geta verið með litlar innbyggðar villur sem breyta því hvernig hringrásin virkar.Til dæmis gæti op-AMP framleitt lítinn framleiðsla jafnvel þegar aðföngin eru nákvæmlega þau sömu.Þetta er kallað offset spennu.Annað algengt mál er hlutdrægni straumur, sem er örlítill straumur sem rennur inn í inntakspinna og getur breytt spennu lítillega.Til að laga eða draga úr þessum vandamálum skaltu stilla hringrásina eftir að hafa byggt hana (kallað snyrtingu), bættu við aukahlutum til að hætta við villur (Offset Nulling) eða nota sérstaka op-AMPS sem eru hannaðir til að vera mjög nákvæmir og stöðugir..

Inntak viðnám og buffering

Grunnmismunandi magnari er einföld og gagnleg hringrás.Það eykst (magnar) muninn á tveimur inntaksspennum og hunsar allt sem er það sama á báðum.En þessi einfalda hönnun hefur vandamál þegar hún tengist veikum eða háu viðnám merkjagjafa (eins og sumir skynjarar).Málið kemur frá hvolft inntak magnara.Vegna þess hvernig hringrásin virkar, virkar þessi inntak eins og sýndar jörð, sem þýðir að það getur dregið straum frá merkjagjafa.

Ef merkjasveitin getur ekki gefið mikinn straum eins og sumir skynjarar eða viðkvæmar hringrásir, getur það breytt merkinu.Merkið getur orðið minni (veikara) eða brenglað, sem þýðir að magnari gefur ranga niðurstöðu.Til að laga þetta, notaðu spennu fylgjendur, einnig kallaðir stuðpúði magnara, við hvert inntak.Þetta eru sérstakar magnararásir sem auka ekki spennuna, en þær hafa mjög mikla inntak viðnám og lágt framleiðsla viðnám.Það þýðir að þeir draga ekki mikinn straum frá merkjagjafa, þannig að merkið helst það sama.Bufferinn ber bara merkið með án þess að breyta því.Þegar þú bætir þessum spennu fylgjendum við mismunadrifara, færðu betri hringrás sem kallast þriggja OP-AMP tækjabúnað magnara.Þessi nýja útgáfa er með mjög háa innsláttarviðnám, svo hún virkar vel með veikum merkjum.

Þú getur einnig stillt ávinninginn (hversu mikið merkið er magnað) með utanaðkomandi viðnám.Það hindrar einnig hávaða vel og gefur hreint, nákvæm merki.Þessir bættu magnara eru notaðir í nákvæmum störfum, eins og að lesa örlítið merki frá hitameðferðum, stofnmælingum eða læknisfræðilegum skynjara.Þessi merki eru oft mjög lítil (eins og míkróvolt) og þarf að magna það skýrt, jafnvel á háværum stöðum.Til að ganga úr skugga um að magnarinn virki þegar það er best er líkamleg hönnun hringrásarinnar einnig mikilvæg.Margir nota sérstök skipulagsbrellur, eins og hlífðarhlutir hringrásarinnar til að hindra óæskileg merki og halda vírum stuttum til að forðast vandamál með óæskilegan þéttni.Þetta hjálpar magnaranum að virka vel jafnvel með mjög litlum eða hröðum merkjum.

Mynd 4. Þriggja OP-AMP tækjabúnaður með inntaksbuffum

Myndin sýnir þriggja OP-AMP tækjabúnað.Fyrstu tvö op-AMPS virka sem stuðpúðar, fá inntaksmerkin V1 og V2 og senda þau án þess að draga straum af heimildum.Þessi buffuðu merki fara síðan í gegnum viðnám og renna saman við þriðja Op-Amp, sem þjónar sem mismunadrifari.Þessi lokastig dregur frá sér einn inntak frá hinni til að framleiða framleiðsla spennu.Þessi uppsetning eykur heiðarleika merkja og hentar vel til að meðhöndla veik eða viðkvæm merki á öruggan hátt.

Mismunandi magnara forrit

Samanburðaraðilar

Í sumum hringjum notum við tegund magnara sem kallast mismunadrifari án nokkurra endurgjöfar.Þegar við gerum þetta verður það samanburður.Samanburður er tæki sem skoðar fljótt hver af tveimur spennum er stærra.Þegar það hefur gert samanburðinn breytir það afköstum sínum í annað hvort háa eða lágspennu, næstum því eins og einfaldur rofi.Þessi tegund af hegðun á eða-off er mjög gagnleg í stafrænum kerfum og sjálfvirkum stjórnrásum.Eitt dæmi er núllstraumskynjari.Það horfir á AC (skiptisstraum) merki og breytir afköstum þess þegar merkið fer í gegnum núll volt.Þetta er gagnlegt við tímasetningu og stjórnun hluta sem eru háð áfanga merkisins.

Samanburðaraðilar eru einnig mikilvægir í tækjum sem kallast hliðstætt til stafrænu breytir (ADC).Þessir breytir breyta merkjum (eins og hljóð eða hitastig) í stafrænar tölur sem tölvur geta skilið.Samanburðurinn hjálpar með því að bera saman breytt merki við fastan viðmiðunarspennu.Jafnvel þó að venjulegir op-AMPS (rekstrarmagnarar) geti virkað sem samanburður í einföldum hringrásum, þá eru til sérstakir samanburðarflísar bara fyrir þetta starf.Þessar sérstöku franskar eru hraðari og nákvæmari.Þeir geta einnig innihaldið aukaaðgerðir, svo sem hysteresis (sem hjálpar til við að forðast að skipta of oft vegna lítilla breytinga eða hávaða) og framleiðsla opinna safnara (sem gera það auðveldara að tengjast stafrænum hringrásum).

Mynd 5. Samanburðarrás með Wheatstone Bridge stillingu

Myndin sýnir samanburðarrás með klassískri stillingu Wheatstone Bridge.Fjórir jafnir viðnám R mynda brúarnetið og skapa jafnvægi þegar allir íhlutir eru samhverfir og inntakið er við 0 volt.Spenna frá brúararmunum, merktum V1 og V2, er fóðruð í snúningshrygg og ekki snúnings aðföng samanburðar, hver um sig.Við yfirvegaðar aðstæður eru V1 og V2 jafnar, sem leiðir til núllafköst.Allt ójafnvægi í brúinni eins og breytingu á einum viðnám vegna hitastigs eða álags, mun framleiða spennumun á milli V1 og V2, sem veldur því að samanburðurinn skiptir umfram framleiðslunni í samræmi við það.

Ljósnæmir rofar

Ljósnæmir rofar eru notkun mismunadrifamagnara sem gera kleift sjálfvirk stjórn á rafmagnstækjum sem svar við mismunandi ljósgildum.Þessar hringrásir nota venjulega ljósháðan viðnám (LDR), íhlut sem mótspyrna breytist á grundvelli styrkleika ljóss sem fellur á það.Með því að samþætta LDR í spennuskiljanet verður mögulegt að umbreyta ljósstyrk í samsvarandi spennumerki.Kjarnastarfsemi slíks rofi treystir á mismunadrifara, sem fær tvö aðföng: önnur frá spennuskiljunni sem inniheldur LDR og hinn frá viðmiðunarspennu.Hægt er að stilla viðmiðunarspennuna með breytilegum viðnám (VR1) eða potentiometer.Þessi stilling gerir kleift að stilla nákvæmlega ljósstyrkjaþröskuldinn þar sem rofinn mun virkja eða slökkva á tengdu álaginu.

Eftir því sem umhverfisljós breytist er viðnám LDR mismunandi og breytir spennunni við einn inntak mismunadæmisins.Þegar þessi inntaksspenna fer fram úr eða fellur undir viðmiðunarspennuna skiptir framleiðsla magnarans.Þessi framleiðsla er notuð til að keyra smári rofa, sem aftur virkjar tengt tæki eins og lampa, gengi eða viftu.Með því að taka þátt í endurgjöf viðnáms (RF) bætir stöðugleika og svörun magnara hringrásarinnar.Á sama tíma veitir smári stigið, oft parað við fljúgandi díóða (D1), nauðsynlega núverandi mögnun og verndar gegn spennutoppum þegar inductive álag eins og gengi er notað.

Mynd 6. Ljósviðkvæm rofi með mismunadrifara og LDR

Myndin sýnir ljósnæmar rofarás byggðar á mismunadrifara.Létt háð viðnám (LDR) og fast viðnám (R1) mynda spennuskil sem veitir breytilegan spennuinntak (V1) til að snúa við rekstrarmagnaranum.Inntakið sem ekki er snúið fær viðmiðunarspennu (V2), stillt með breytilegum viðnám (VR1) í röð með viðnám R2.Mismunandi magnari ber saman þessi aðföng, við framleiðsluna sem er tengd við grunn smári í gegnum viðnám (R3).Þegar ljósstyrkur breytist þannig að V1 fer yfir þröskuldinn sem settur er með V2, skiptir magnari framleiðsla og kveikir eða slökkva á smári.Þetta stýrir aftur á móti tengdu gengi spólu, tilgreind á skýringarmyndinni með framleiðslutengingu.Díóða (D1) er settur samhliða gengi spólu til að verja gegn spennutoppum.Viðnám R4 þjónar sem niðurfellingu fyrir grunn smára.Heildarrásin gerir kleift að skipta um sjálfvirkan hátt miðað við umhverfisljósskilyrði.

Kostir mismunadrifara

• Framúrskarandi höfnun hávaða: Mismunandi magnarar eru hannaðir til að magna muninn á tveimur inntaksmerkjum meðan þeir hunsa alla spennu sem er sameiginlegt fyrir báða.Þetta gerir þá mjög árangursríkan til að hafna rafsegultruflunum og hávaða sem hefur áhrif á báðar inntakslínurnar jafnt, lykilávinningur í umhverfi með miklum rafhljóð, svo sem verksmiðjum eða nálægt raflínum.

• Mikil nákvæmni: Þessir magnarar bjóða upp á framúrskarandi línuleika, sem þýðir að framleiðslan er í beinu hlutfalli við mismuninn á innspennu með mjög litlum röskun.Þetta gerir þau tilvalin fyrir kerfi sem krefjast mikillar nákvæmni, eins og hljóðbúnaðar, gagnaöflunarkerfi eða vísindaleg tæki, þar sem jafnvel litlar ónákvæmni geta haft áhrif á árangur.

• Fjölhæf hönnun: Með einföldum breytingum á hringrásarstillingu þeirra er hægt að nota mismunadrifara í ýmsum hlutverkum eins og grunnmagnarum, spennu samanburði, spennu fylgjendum (stuðpúðum) eða sem byggingareiningum í háþróaðri tækjabúnaðarkerfi.Þessi sveigjanleiki gerir þá að vinsælum vali í mörgum hliðstæðum hönnun.

• Bætir merki gæði snemma: Með því að magna viðkomandi merki og hafna hávaða snemma í merkjakeðjunni hjálpa mismunadrifarar að tryggja að hreint merki sé komið í gegnum restina af kerfinu.Þetta dregur úr þörfinni fyrir flókna síun eða stafræna leiðréttingu, sparar vinnsluorku og bætir áreiðanleika kerfisins.

• Áreiðanlegar í erfiðum stillingum: Vegna hávaða þeirra og nákvæmni eru mismunadrifarmagnarnir mikið notaðir í umhverfi í háum hlutum eins og geimferðakerfum, lækningatækjum og rannsóknarstofubúnaði.Á þessum sviðum eru nákvæmar og stöðugar mælingar mikilvægar og mismunadreifingar hjálpa til við að viðhalda heilleika merkja jafnvel við krefjandi aðstæður.

Niðurstaða

Mismunandi magnarar eru mikilvæg tæki í rafeindatækni vegna þess að þau hjálpa þér að magna rétt merki og losna við óæskilegan hávaða.Þeir vinna með því að auka muninn á tveimur innspennum og hunsa allt sem er það sama á báðum.Þú lærðir hvernig op-AMP eru notaðir til að gera þessa magnara og hvernig samsvarandi viðnám gildi er lykillinn að því að halda hringrásinni nákvæmum.Við útskýrðum einnig hvernig á að auka inntak ónæmis magnarans með því að nota stuðpúða, sem hjálpar þegar þú ert að vinna með lítil eða veik merki.Þessir magnarar er einnig hægt að nota sem samanburð og snjall ljósrofa, sem sýnir hversu gagnlegar og sveigjanlegar þær eru.Að vita hvernig þeir vinna hjálpar þér að byggja upp betri og áreiðanlegri hringrás.