Op-Ampere-Differenzierungs- und Integratorschaltungen erklärt

Operationelle Verstärker (OP-Ampere) sind nützliche Teile, die in der analogen Elektronik verwendet werden.Zwei wichtige Anwendungen von Op-Amps sind Differenzierung und Integration, die in Echtzeit zeitlich variierende Signale verarbeiten.Diese Funktionen sind in Filtern, analogen Computern, Steuerungssystemen und Signalverarbeitungsschaltungen üblich.Möchten Sie die Grundlagen der Op-Amper-Signalverarbeitung beherrschen?In diesem Leitfaden erfahren Sie, wie Op-Am-Differenzierungs- und Integratorschaltungen funktionieren, warum sie wichtig sind und wo sie verwendet werden.Lassen Sie uns die Unterscheidungs- und Integratorkonzepte diskutieren, die Mathematik erläutern und Sie durch ihre verschiedenen Anwendungen führen.

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Abbildung 1. Op-Amper-Integrator und Differenzierungsschaltungen

Was ist ein Op-Ampere-Unterscheidungsmerkmal?

Ein Op-Am-Differenzierungskreis erzeugt eine Ausgangsspannung, die direkt proportional zur Änderungsrate (Derivat) des Eingangssignals ist.Es wird üblicherweise in Anwendungen verwendet, die eine Kantenerkennung oder schnelle Signalübergänge erfordern.

Abbildung 2. Op-Amper-Differenzierungsschaltung

Op-Amper-Unterscheidungsmerkmal des Arbeitenprinzips

Im Unterscheidungsmerkmal führt die Eingangsspannung VI durch einen Kondensator (C) und verbindet sich mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers.Ein Widerstand (R) verbindet sich vom Ausgang zum invertierenden Eingang und bildet eine Rückkopplungsschleife.Das nicht invertierende Terminal ist geerdet.

Unter Verwendung des virtuellen kurzen Konzepts entspricht die Spannung am invertierenden Eingang der Spannung am nicht invertierenden Terminal (0V).Anwendung des aktuellen Gesetzes von Kirchhoff am invertierenden Knoten:

$$C\frac{D(0-\; -V_1)}{\mathrm{dt}}+\frac{0-\; -V_0}{R}=0\Rightarrow V_0=-\; -RC\frac{D{V}_1}{\mathrm{dt}}$$

Wenn RC = 1, vereinfacht die Gleichung zu:

Das negative Vorzeichen zeigt eine Phasenverschiebung von 180 ° zwischen Eingang und Ausgabe, ein Merkmal für die Inverting von Op-Ampere-Konfigurationen.

Was ist ein Op-Amper-Integrator?

Eine Op-Amper-Integratorschaltung bietet eine Ausgangsspannung, die im Laufe der Zeit proportional zum Integral des Eingangssignals ist.Es wird häufig in der Wellenformgenerierung, der analogen Berechnung und bei Niederfrequenzsignalen verwendet.

Abbildung 3. Op-Amper-Integratorschaltung

OP-Ampere-Integrator-Arbeitsprinzip

Hier wird das Eingangssignal VI durch einen Widerstand (R) zum invertierenden Eingang des Op-Am-Ampere angewendet.Ein Kondensator (c) wird in die Rückkopplungsschleife platziert.Der nicht invertierende Eingang ist geerdet.

Verwenden Sie erneut das virtuelle kurze Konzept und Anwendung der Knotenanalyse:

$$\frac{0-\; -V_1}{R}+C\frac{D(0-\; -V_0)}{\mathrm{dt}}=0\Rightarrow \frac{D{V}_0}{\mathrm{dt}}=\frac{V_1}{RC}$$

Integration beider Seiten:

$$V_0=-\; -\frac{1}{RC}\int \mathrm{Vi}\mathrm{dt}$$

Wenn RC = 1, wird die Ausgabe:

$$V_0=-\; -\int \mathrm{Vi}\mathrm{dt}$$

Dieser Ausgang repräsentiert das akkumulierte Signal im Laufe der Zeit mit einer Phasenverschiebung von 180 °.

Schlüsselunterschiede zwischen Differenzierer und Integrator

Besonderheit	Op-Amper Unterscheidungsmerkmal	Op-Amper Integrator
Ausgangsausdruck	$$V_0=-\; -RC\frac{D\mathrm{Vi}}{\mathrm{dt}}$$	$$V_0=-\; -\frac{1}{RC}\int \mathrm{Vi}\mathrm{dt}$$
Eingabekomponente	Kondensator	Widerstand
Feedback -Komponente	Widerstand	Kondensator
Hauptfunktion	Erkennt Änderungen des Eingangs (Steigung)	Akkumuliert das Eingangssignal im Laufe der Zeit
Ausgangsphase	180 ° aus der Phase mit Eingang	180 ° aus der Phase mit Eingang

Anwendungen von Op-Am-Differenzierungs- und Integratorschaltungen

OP-Am-Differenzierungs- und Integratorschaltungen werden in der analogen Elektronik häufig verwendet, um Signale zu formen, zu analysieren und zu verarbeiten.Diese Differenzierungs- und Integrationsschaltungen führen mathematische Echtzeitoperationen durch.

Wo werden Op-Ampere-Unterscheidungsmerkmale verwendet?

Differenzierungsschaltungen reagieren auf Änderungen der Spannung im Laufe der Zeit und machen sie ideal für Anwendungen, die eine Signalübergangserkennung erfordern:

• Kantenerkennung in der digitalen Elektronik - Differenzierer identifizieren scharfe Übergänge in digitalen Signalen wie steigenden und fallenden Kanten, die für Auslöser und Timing -Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind.

• Hochpassfilter -Sie ermöglichen Hochfrequenzsignalen, während sie langsamere blockieren, wodurch sie effektiv bei der Entfernung von DC-Offsets oder unerwünschten Niederfrequenzgeräuschen werden.

• Bewegungs- und Vibrationssensoren - In Beschleunigungs- und Impact -Sensoren werden Unterscheidungsmerkmale verwendet und erkennen plötzliche Bewegungsänderungen oder einen Schock.

• Signalverstärkung in Audio und Kommunikation - Durch die Betonung von schnellen Übergängen helfen Unterscheidungsmerkmale bei der Klärung von Hochfrequenzkomponenten in analogen Signalen.

Wo werden Op-Ampere-Integratoren verwendet?

Integrator-Schaltungen sammeln Eingangssignale im Laufe der Zeit an, wodurch sie in Anwendungen nützlich sind, die eine Signalglättung oder eine langfristige Verfolgung erfordern:

• Tiefpassfilter - Integratoren reduzieren natürlich Hochfrequenzrauschen, wodurch sie ideal für die Audioverarbeitung und für die Analogdatenkonditionierung ideal sind.

• Wellenformgenerierung - In Kombination mit Quadratwelleneingängen erzeugen Integratoren Rampen oder dreieckige Wellenformen, die bei Oszillatoren und Signalgeneratoren verwendet werden.

• Analoges Computer - Bevor digitale Systeme Standard wurden, waren Integratoren Schlüsselkomponenten in analogen Computern, die zur Lösung von Echtzeit-Differentialgleichungen verwendet wurden.

• PID -Steuerungssysteme -In der industriellen Automatisierung spielen Integratoren eine wichtige Rolle bei proportionalen Controllern (PID), indem sie den langfristigen Fehler in Rückkopplungsschleifen minimieren.

Abschluss

OP-Am-Differenzierungs- und Integratorschaltungen führen leistungsstarke Signaltransformationen in analogen Systemen durch.Unterscheidungsmerkmale unterstreichen plötzliche Veränderungen, während die Integratoren im Laufe der Zeit glatt und verfolgen.Beide sind nützlich in Filtern, Steuerungssystemen und Wellenformgeneratoren.Die beste Leistung zu erzielen bedeutet jedoch, Faktoren wie Komponententoleranz, Rauschempfindlichkeit und Stabilität zu berücksichtigen.Wenn Sie die hier behandelten Designtipps anwenden, können Sie Schaltungen erstellen, die funktional und auch präzise und zuverlässig sind.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was ist der Hauptzweck eines Op-Am-Differenzierungskreislaufs?

Ein Op-Am-Differenzierer unterstreicht schnelle Änderungen in einem Eingangssignal, indem ein Ausgang proportional zur Änderungsrate oder der Ableitung dieses Signals erzeugt wird.

2. Warum wird ein Op-Amper-Integrator in der Wellenformgenerierung verwendet?

Ein Op-Amper-Integrator verwandelt einen Quadratwelleneingang in eine Rampe oder eine Dreieckswelle, wodurch sie bei Oszillatoren und Funktionsgeneratoren nützlich ist.

3..

Sie können Hochfrequenzrauschen einschränken, indem Sie mit dem Eingangskondensator einen kleinen Widerstand in Reihe hinzufügen oder einen Kondensator über den Rückkopplungswiderstand platzieren.

4. Können Op-Amper-Integratoren DC-Eingangssignale verarbeiten?

Reine Integratoren können mit DC -Signalen driften.Um die Ausgangssättigung zu vermeiden, fügen Sie einen Widerstand parallel zum Rückkopplungskondensator hinzu, damit DC -Leckagen.

5. Was passiert, wenn die RC -Werte in diesen Schaltungen nicht übereinstimmen?

Falsche RC -Werte können zu einer schlechten Genauigkeit, einer langsameren oder instabilen Reaktion und einem unerwarteten Signalverhalten sowohl in Differenzierern als auch in Integratoren führen.

6. Was sind praktische Verwendungen von Op-Ampere-Integratoren in Kontrollsystemen?

OP-Ampere-Integratoren werden in PID-Controllern verwendet, um den stationären Fehler zu reduzieren, indem das Fehlersignal über die Zeit integriert wird.

7. Welcher Op-Amper ist am besten für Unterscheidungsmerkmale und Integratorschaltungen geeignet?

Verwenden Sie für die Leistung von TL081, LM741 oder LM318 für stabile und präzise Unterscheidungsmerkmale oder Integrator-Leistung mit niedrigem Rang und mit hohem Bandbreiten.