這幾天關(guān)于調(diào)運(yùn)放的心得

ID:73477 · 發(fā)表于 2015-2-10 15:45

      好多年沒寫東西了，現(xiàn)在記一下這幾天調(diào)運(yùn)放的心得，當(dāng)做學(xué)習(xí)筆記。
      畢設(shè)里有個(gè)電路部分是關(guān)于噪聲采集的，利用Mic傳感器采集環(huán)境噪聲，Mic也俗稱咪頭。此部分的電路原理，是通過用運(yùn)放放大來自Mic的微弱正弦信號(hào)，從而使STM32的ADC進(jìn)行正常采集，再用FFT傅立葉運(yùn)算采樣，然后算出其各諧波的頻率，再在LCD上繪制其頻譜，并進(jìn)行分析。
      由Mic的PDF得知其輸出電壓峰峰值在1mv~15mv。在考慮需要放大多少倍的時(shí)候，要參考STM32自帶的ADC。STM32的ADC為12位，為了提高ADC采集的精度，最好放大到1V~2V。由公式得2000mv/1mv=200倍。
      在網(wǎng)上搜了些原理圖進(jìn)行參考，目前手頭有袖珍的示波器，但沒有信號(hào)發(fā)生器，前2年幫同學(xué)買元件買多了一塊AD9850，想結(jié)合STM32做個(gè)簡易的信號(hào)發(fā)生器，但無論我怎么調(diào)9850硬是沒有輸出，全部補(bǔ)焊過一遍，測(cè)通信波形，全部正常，懷疑已經(jīng)壞了，放棄之。翻抽屜，發(fā)現(xiàn)前2年做了一塊爛尾的51的板，上面有個(gè)TLC5615，是個(gè)10位的DAC，拆下來并成功驅(qū)動(dòng)它輸出了正弦波。由于手頭的示波器比較簡易，顯示被測(cè)信號(hào)幅值和頻率并不準(zhǔn)，所以用萬用表測(cè)正弦波得其有限值為0.7V，乘以1.4后得其峰峰值，0.98V約1V輸出。應(yīng)該已經(jīng)符合實(shí)驗(yàn)需要了。
      由于手頭上運(yùn)放只有LM358，就隨便找了塊萬板焊了個(gè)單運(yùn)放放大器，電阻全用精密可調(diào)電位器替代，以方便調(diào)試。接上來自TLC5615的正弦信號(hào)，再接上示波器，無失真放大倍數(shù)只有2倍，調(diào)了很久實(shí)現(xiàn)放大200倍的初衷，即再放大就削頂了，此時(shí)用萬用表測(cè)輸出電壓為1.3V，即峰峰值為1.3*1.4=1.82V。

才放大2倍就已經(jīng)要削頂了，調(diào)了整整一天沒有頭緒，起初是懷疑輸入電容把低頻信號(hào)都濾除的原因，更換了47uF的電容后，只是上電時(shí)信號(hào)緩沖時(shí)間長了些，并不會(huì)影響放大倍數(shù)，恨自己模電沒學(xué)好。通過和同學(xué)討論，直到調(diào)到半夜明白其原因。
原來是輸入信號(hào)的幅值過大造成的放大倍數(shù)很低。

（輸入信號(hào)的幅值x放大倍數(shù)）+基準(zhǔn)電壓<輸出

如圖，為這次實(shí)驗(yàn)采用的原理圖，采用反向放大。

      由于LM358運(yùn)放非軌對(duì)軌運(yùn)放，所以輸出電壓不可能和電源電壓一樣或相近，一般都是VCC-1~2v左右，實(shí)驗(yàn)中運(yùn)放用的是單電源+5V 供電，即輸出不可能超過4V。由于Mic輸出的為正負(fù)周期的音頻信號(hào)，如運(yùn)放不對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，使去在0V以上進(jìn)行放大的話，其放大后的信號(hào)會(huì)被削掉負(fù)半周期。而解決辦法就是抬升正弦信號(hào)的中點(diǎn)，使其中點(diǎn)電壓在電源范圍內(nèi)。由于運(yùn)放電源使用的是-+5V，故在運(yùn)放的正向輸入端利用電阻偏置，得到VCC/2的偏置電壓，也就是2.5V的中點(diǎn)電壓。
      結(jié)合上面的公式，也就是輸入信號(hào)放大后為1.82V峰峰值，加上2.5V中點(diǎn)電壓后為 4.32V，即超過了運(yùn)放的最大輸出電壓，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后必然然削頂！而解決辦法是增加電源電壓。
      顯然我的要求是放大10mv以內(nèi)的信號(hào)，故信號(hào)可以放大至150倍即可接近運(yùn)放最大輸出電壓。
      第二天立馬調(diào)了放大倍數(shù)為100倍，去掉TLC5615的正弦波，直接接上Mic，上電，喊話，熟悉的波形出現(xiàn)了。
      但由于LM358屬于普通運(yùn)放，存在失調(diào)電壓，即把輸出短接到GND后，也會(huì)有幾mv的電壓，而且其帶寬增益積為1MHz，人聲為20Hz~20kHz，所以在放大20Khz信號(hào)200倍后，其需要2Mhz的帶寬，顯然LM358不夠，而且我只需要一級(jí)放大即可滿足要求。故解決辦法是更換運(yùn)放型號(hào)。
      常用的儀用運(yùn)放OP07性能優(yōu)越，但帶寬增益積只有0.6Mhz，也不滿足要求，所以目標(biāo)瞄準(zhǔn)了它的兄弟型號(hào)OPA277 。
      OPA277也是單運(yùn)放芯片，SO8封裝不是很占我的板子上的空間，帶寬增益積有8Mhz，而且可以低電壓供電，正負(fù)5V電壓可以從板子上的RS3232的電荷泵取。遂用Multisim10進(jìn)行了仿真。

如圖，放大倍數(shù)用預(yù)設(shè)的200倍，即10mv放大至輸出2V，則由公式（R1/R2）+1=200，取R1=200K,R2=1K。為了輸入端與輸出端電阻值的匹配，R3取1K。為了使輸出電壓不超過4V，所以運(yùn)放正向輸入端的電壓值取2V以下，實(shí)測(cè)得R4/（R4*R5）*5V=1.84V，即R4=17.5K，R5=30K。OP系列只能用雙電源供電以得到最高性能，如把運(yùn)放同向輸入端的+5V改為-5V可以把信號(hào)拉低于0V，中點(diǎn)電壓為-2.5V。