Entwerfen Sie eine Schaltung, die den Ausgang zwischen zwei Eingangsspannungspegeln abschaltet

Sorry für das schäbige Image von Transfer Characteristics

Die Schaltungen für die drei Stufen der Eingangsspannung können leicht gezeichnet werden, aber ich bin verwirrt darüber, wie die Schaltung die Spannungen "identifizieren" kann.

Zum Beispiel, wie kann ich den Ausgang genau zwischen -3V und +5V ausschalten. Bitte hilf mir!

Dies kann mit dem sogenannten Fensterdetektor erfolgen: en.wikipedia.org/wiki/Window_detector
Ich stimme zu, verwenden Sie einen Fensterkomparator
Danke für den Vorschlag. Können Sie die Schaltung für die angegebenen Übertragungseigenschaften erkennen?
Das sieht nach Hausaufgaben aus. Wir sind nicht hier, um Ihre Hausaufgaben für Sie zu erledigen. Das ist dein Job.
Dies ist eine Prüfungsarbeit vom letzten Jahr, und wir lösen für den morgigen Test. Sie könnten zumindest einige Hinweise für den Abschnitt zwischen -3 V bis + 5 V geben
Was ist der Bereich der Eingangsspannung? Das heißt, wie weit negativ und wie weit positiv geht es?
@Viki wir haben dir schon Tipps gegeben. Suchen Sie nach Fensterkomparatoren. MACHEN SIE ETWAS SELBST ARBEITEN!
@derstrom8 werde ich natürlich tun. Es gibt ABSOLUT KEINEN Grund zur Sorge!
Wichtiger Hinweis: Ein Fensterkomparator hat nichts mit der Lösung zu tun, die Ihr Lehrer erwartet.
^ Genau! Wir sollen nur Operationsverstärker, Dioden und Widerstände verwenden
@Viki Sie können Operationsverstärker als Komparatoren verwenden. Sie können einen Fensterkomparator mit zwei davon erstellen.
@destrom8, es wird jedoch kein Fensterkomparator benötigt, um das Problem zu lösen.
Hmmm ... Ich scheine etwas beschönigt zu haben, nämlich dass Vout, wenn Vin positiv ist, eine Steigung von 1 hat, bis Vin -3 Volt erreicht, wenn die Steigung von Vout auf Null geht. Es bleibt dann auf Null, bis Vin 5 Volt erreicht, und ändert sich dann auf 2, wenn Vin immer positiver wird. Ist das richtig? Wenn ja, muss ich meine Antwort bearbeiten, da Vout für jeden Wert von Vin zwischen null Volt und 5 Volt eine Steigung von Null und überall sonst eine Steigung von 1 anzeigt.
@EMFi: Tatsächlich ist die Steigung 1/2, nicht 2, für Vin > 5.

Antworten (3)

Werfen Sie einen Blick auf Zenerdioden , um die +5- und -3-V-Referenzen bereitzustellen. Sie können sie so anordnen, dass sie von der Eingangsspannung subtrahieren. Beispielsweise kann ein 5-V-Zener verwendet werden, um (Vin - 5) zu erzeugen.

Nachdem Sie die 5-V- und 3-V-Offsets abgezogen haben, können Sie Widerstandsteiler verwenden, um eine beliebige Steigung < 1 zu erhalten.

Hinzugefügt:

Es ist lange genug her und das OP hat anscheinend ausgecheckt, also hier ist die Antwort:

Hier sind D3 und D4 ideale Dioden. Wenn Sie dies tatsächlich bauen möchten, verwenden Sie so etwas wie 1N4148 für D3 und D4 und verringern Sie die Zenerspannungen um etwa 600 mV, um die Diodenabfälle zu kompensieren.

Als Antwort auf Kommentare von EM Fields hinzugefügt

Das OP hat darum gebeten, bei "genau" -3 und +5 V umzuschalten. Das ist überhaupt keine Spezifikation. Wenn er wirklich genau gemeint hat , dann reicht keine Schaltung aus. Da alles zwangsläufig gegen diese Spezifikation verstößt, haben wir keine Möglichkeit zu wissen, wie weit es in Ordnung ist. Sie wissen nicht, ob ein paar 100 mV gut genug sind oder nicht. Auch hier ist "genau" eine bedeutungslose Angabe und kann daher nur ignoriert werden.

Zu Ihrem zweiten Punkt, ich denke, Sie interpretieren die Grafik falsch. Das Diagramm ist ziemlich klar, da Vout 0 für Vin von -3 bis +5 Volt sein sollte. Genauer gesagt, hier ist die Funktion, die durch den Graphen beschrieben wird und die die obige Schaltung realisiert:

Vout = Vin + 3 (Vin < 3)
Vout = 0 (-3 <= Vin <= 5)
Vout = (Vin - 5)/2 (Vin > 5)

Sie sagen, die Zeichnung des OP ist falsch, aber ich verstehe nicht, wie Sie das wissen können, da es die einzige Spezifikation ist, die wir haben, und es für sich genommen ziemlich klar ist.

Beachten Sie, dass der in der Frage angegebene Graph vout vs vin ist, nicht I vs V.
@thep: Ja, das ist mir bewusst. Das ganze Problem lässt sich mit ein paar Dioden und Widerständen lösen. Hier müssen keine Fensterkomparatoren missbraucht werden.
@OlinLathrop: Hast du eine Schaltung, die du posten kannst?
@EMFi: Natürlich, aber das Posten würde die Hausaufgaben des OP für ihn erledigen. Wenn er sich ein wenig Mühe gibt und es versucht, kann ich vielleicht weitere Vorschläge machen. Aber an diesem Punkt ist das OP an der Reihe, sich etwas Mühe zu geben.
Nun, das Mindesthaltbarkeitsdatum ist abgelaufen, wie wäre es also, wenn Sie uns zeigen, was Sie sich vorgestellt haben?
Das scheint auf mehreren Ebenen falsch zu sein. Erstens hat das OP nach Schaltpunkten genau bei -3 Volt und 5 Volt gefragt, und Sie werden mit schlampigen Zener-Knie nie dorthin gelangen. Das zweite ist, dass Vout Vin folgen soll, bis Vin auf -3 Volt kommt, dann soll Vout auf 0 Volt ansteigen und dort bleiben, bis Vin auf 5 Volt kommt, wenn Vout auf 5 Volt ansteigen soll, wie Das. Ja, die Zeichnung des OP ist falsch.
@EMFi: Siehe Ergänzung zur Antwort.
Ich bin mir nicht sicher, ob dieser Link funktioniert, aber dies ist eine Simulation davon.
Ah super, der Link hat funktioniert.
Sorry, Olin, aber Steigung ist definiert als M = Δ Y Δ X , da liegst du also falsch. (Google ist dein Freund). Zu Ihrem zweiten Punkt, wenn Vout Vin folgen und dann auf null Volt gehen soll, wenn Vin etwas positiver als -3 Volt wird, bin ich überrascht, dass Sie diese abrupte Änderung von Vout von fast -3 nicht sehen können Volt auf null Volt ist keine Schrittänderung. Das gleiche gilt, wenn Vin etwas höher als 5 Volt geht und Vout dann von null Volt auf +5 Volt springt.
@EMFi: Ich kann nicht einmal erraten, woher du das hast, aber deine Beschreibung ist einfach falsch. Es gibt keine Schrittänderungen in der OP-Spezifikation von Vout als Funktion von Vin.
Ich verstehe "genau", wie es vom OP verwendet wird, als "so nah wie vernünftigerweise zu erwarten", und die Verwendung von Komparatoren ist in diesem Zusammenhang sicherlich viel vernünftiger als Zenerdioden. Außerdem funktioniert Ihre Schaltung einfach nicht, wenn sie den schriftlichen Anforderungen des OP für Vout VS Vin entsprechen soll.
Es scheint mir offensichtlich, dass, wenn Vout linear von beispielsweise -10 Volt auf -3 Volt geht und dann plötzlich auf null Volt springt - worum das OP gebeten hat -, dies ganz anders ist als das, was Ihre Schaltung tut. YMMV.
@EMFi: Nein, das ist NICHT das, wonach das OP fragt. Es gibt keine schrittweisen Änderungen im Diagramm des OP. Es ist kontinuierlich bei -3 und +5.
Ja, aber die Grafik ist falsch. Wenn Sie mir nicht glauben, erstellen Sie ein kartesisches Diagramm mit vier Quadranten, das sowohl in X als auch in Y linear ist, und zeichnen Sie Vin und Vout selbst darauf auf. Sie werden feststellen, dass es demjenigen, zu dem ich zuvor einen Link gepostet habe, bemerkenswert ähnlich ist , das Sie aber gepooh-pooh haben, ebenso wie Ihre Neigung, es sei denn, etwas ist in Ihrem Hals vollgestopft. Und selbst dann erkennt man den Fehler nicht an, man hält einfach die Klappe.
@EMFi: Das OP hat absolut keine Beweise hinterlassen, die darauf hindeuten, dass die Spezifikation etwas anderes ist als das, was die Grafik sagt. Du erfindest nur Sachen.
Schauen Sie sich noch einmal die Grafik des OP an. Wenn Y null Volt ist, wenn X zwischen -3 und 5 Volt liegt, was ist dann Y, wenn X nur ein wenig positiver als 5 Volt ist?
@EMFi: Nur ein bisschen positiver als 0, insbesondere (X- 5)/2.

Diese Art von Frage taucht normalerweise in einem Schaltungstheorieunterricht auf, wo wir so tun können, als ob Dinge wie ideale Operationsverstärker und ideale Dioden existieren. Da Sie nichts anderes gesagt haben, gehe ich davon aus, dass dies der Kontext Ihrer Frage ist.

Es wird Ihnen zwar nicht schaden, zu lernen, was ein Fensterkomparator ist (von mehreren Personen in den Kommentaren erwähnt), aber das ist wahrscheinlich nicht die Lösung, nach der Ihr Lehrer sucht.

Etwas Ähnliches kann ein Baustein in einer Antwort sein, die Ihren Lehrer wahrscheinlich zufrieden stellen wird:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

D2 und D3 sind Zenerdioden. Je nachdem, wo Sie sich in Ihrem Kurs befinden, wird möglicherweise erwartet, dass Sie an diesen Stellen anstelle von Zenerdioden ideale Spannungsquellen platzieren.

D1 und D4 sind ideale Dioden (Durchlassspannung 0). Sie sind da, um zu verhindern, dass die Zener von Anode zu Kathode leiten (oder um zu verhindern, dass Strom den "falschen Weg" durchläuft, wenn Sie die Zener durch Spannungsquellen ersetzt haben).

OA1 ist ein idealer Operationsverstärker. Insbesondere hat dieser Operationsverstärker aufgrund seiner endlichen Versorgungsspannung keine Begrenzung der Eingangs- oder Ausgangsspannung.

Sie können sehen, dass Sie in dieser Lösung nichts Besonderes tun, um den Ausgang zu unterdrücken, wenn die Eingangsspannung nahe Null ist. Sie sorgen einfach dafür, dass kein Ausgang erzeugt wird, bis die Eingangsspannung einen bestimmten Schwellenwert in negativer oder positiver Richtung überschreitet.

Du bist schon lange genug hier, um zu wissen, dass du nicht nur Antworten auf Hausaufgaben geben solltest. Sagen Sie ihnen, wie sie vorgehen sollen, aber sagen Sie ihnen nicht die Antwort. Jedenfalls ist diese Antwort falsch.
@OlinLathrop, ich hätte nicht so viele Details angegeben, wenn es nicht die Kommentare gegeben hätte, die OP von der "richtigen" (im Kontext) Antwort wegführten.
Da Sie falsch liegen, haben Sie Recht, dass dies nicht die genaue Ausgabe liefert. Das lässt sich leicht mit einer zusätzlichen Schaltung beheben, die OP hoffentlich für die Elfen ausarbeiten kann. Ich werde zur Verdeutlichung bearbeiten.
Mein Einwand gegen Ihre Schaltung ist, was der Operationsverstärker tut, nicht was die Dioden und Widerstände tun. Beachten Sie, dass Verstärkung nirgendwo erforderlich ist, insbesondere keine negative Verstärkung.
Jetzt, da wir vollständige Antworten geben, kann ich direkter erklären, was an Ihrer Antwort falsch ist. Sie haben die richtige Gesamtidee, aber Ihr Vin zu Vout ist invertiert. Beachten Sie, dass das Diagramm des OP null positiven Ausgang für positiven Eingang und umgekehrt zeigt.
@OlinLathrop, das leicht mit einer zusätzlichen Schaltung (einem anderen invertierenden Verstärker) behoben werden kann. Zugegebenermaßen kostet meine Lösung mehr als Ihre, aber ich gehe auch hier vom Kontext eines Schaltungstheorieunterrichts aus, in dem die Kosten nicht berücksichtigt werden und Sie lieber eine allgemeine Lösung für das Problem der stückweise linearen Übertragungsfunktionen haben und daran angepasst werden könnten Fälle, in denen beispielsweise eine Verstärkung > 1 benötigt wird.

Wenn Ihr Lehrer erwartet, dass Sie Operationsverstärker verwenden, verwenden Sie sie als Komparatoren.

Das Folgende ist eine Schaltung, die Komparatoren verwendet, um das zu tun, was Sie wollen, aber Sie könnten Operationsverstärker genauso einfach ersetzen. So funktioniert das:

V1 ist die 10-Volt-Versorgung und V2 ist das Eingangssignal, und da ich keine gegenteiligen Informationen habe, habe ich aus Gründen des Arguments angenommen, dass V2 von - 10 Volt bis + 10 Volt variieren kann.

U1A und U1B sind die beiden Komparatoren, die einen LT1018 umfassen, und ihre Eingänge dürfen nicht mehr als 300 Millivolt unter Masse gehen. Wenn also eine 10-Volt-Versorgung für V1 verwendet wird, dann sind R4 und R5 beide gleich 10k, wenn V2 bei -10 Volt liegt, beträgt die Spannung am R4-R5-Übergang null Volt.

Da V2 nur positiver als -10 Volt werden kann, wird das Problem des Treibens der Komparatoreingänge unter Masse, wenn V2 negativ ist, abgewendet.

Als nächstes müssen die Schaltpunkte bestimmt werden, und das sind die Spannungen an der R4-R5-Verbindung (V4), wenn V2 gleich minus 3 Volt und wenn es gleich 5 Volt ist.

Um sie zu finden, können wir schreiben:

v 4 = ( v 1 − v 2 ) × R 5 R 4 + R 5 + v 2

Dann haben wir mit V2 gleich minus 3 Volt:

v 4 = ( v 1 − v 2 ) × R 5 R 4 + R 5 + v 2 = 13 v × 10 k Ω 20 k Ω − 3 v = 3.5  Volt

Wenn V2 gleich 5 Volt ist, wird V4 in ähnlicher Weise gleich 7,5 Volt sein

Um diese Spannungen zu erzeugen, verwenden wir die Widerstandskette R1, R2, R3 als Spannungsteiler, zwingen willkürlich 1 Milliampere durch und wählen die Widerstände so aus, dass sie die Auslösepunktspannungen ergeben, die wir für U1A und U1B benötigen.

Da V1 10 Volt beträgt und wir 7,5 Volt für unseren hohen Auslösepunkt benötigen, muss R1 die Differenz, 2,5 Volt, mit 1 Milliampere durch R1 fallen lassen. Mit dem Ohmschen Gesetz können wir schreiben:

R 1 = v 1 − 7.5 v 1 M A = 2500  Ohm

Wenn wir den nächsten E96-Wert auswählen, wählen wir 2490 Ohm für R1

Mit der Unterseite von R1 bei 7,5 Volt und unserem nächsten Schaltpunkt bei 3,5 Volt müssen wir 4 Volt über R2 absenken, und mit 1 Milliampere durch ihn beträgt der E96-Wert, der 4000 Ohm am nächsten liegt, 4020 Ohm.

Wenn schließlich die verbleibenden 3,5 Volt über R3 abfallen, beträgt der E96-Wert, der 3500 Ohm am nächsten liegt, 3480 Ohm.

Wenn nun V2 von -10 auf +10 Volt ansteigt, ist U1B+ beim Start positiver als U1b-, wodurch der Ausgang von U1B hoch wird. Dadurch wird S2 eingeschaltet und V2 mit R10 verbunden. Da U1A+ weniger positiv als U1A- ist, wird der Ausgang von U1A auf Low gezwungen, wodurch S1 AUSgeschaltet wird.

Dieser Zustand setzt sich fort, bis V2 positiver als -3 Volt wird, an welchem ​​Punkt U1B- positiver wird als U1B+, was den Ausgang von U1B auf Low zwingen und S2 ausschalten wird. An diesem Punkt werden S1 und S2 beide ausgeschaltet und Vout wird durch R10 auf Masse gezogen.

Da V2 immer positiver wird, erreicht es schließlich 5 Volt, zu diesem Zeitpunkt wird U1A+ positiver als U1A- und der Ausgang von U1A wird hoch, wodurch S1 eingeschaltet und die Verbindungsstelle von R8 und R9 verbunden wird zu U2+.

Da V2 und V3 nun beide auf 5 Volt liegen, liegt U2+ ebenfalls auf +5 Volt, und da U2 ein Spannungsfolger mit Einheitsverstärkung ist, liegt sein Ausgang bei 5 Volt, der über den jetzt geschlossenen Anschluss mit R10 verbunden wird S2.

R8 und R9 bilden einen 2:1-Spannungsteiler, da R8 und R9 gleiche Widerstände haben, und wenn der Abgriff mit U2+ verbunden ist, steigt die Spannung an U2+ mit der Hälfte dieser Rate an, wenn V2 über 5 Volt ansteigt, wodurch die Anforderung für die Steigung erfüllt wird in Vout über 5 Volt.

Das Ergebnis von all dem ist also, dass V2 mit R8 verbunden wird, sobald V2 zwischen -10 Volt und -3 Volt liegt. Danach, wenn V2 positiver als -3 Volt wird, wird R8 von V2 getrennt und Vout steigt auf null Volt, bis V2 5 Volt erreicht, wenn R8 an den Ausgang von U2 angeschlossen wird und auf +5 Volt steigt . Danach bleibt V2 solange mit dem Ausgang von U2 verbunden, wie V2 positiver als 5 Volt bleibt.

Das Schema folgt, und wenn Sie mit der Schaltung herumspielen möchten, hier ist die LTspice .asc-Datei, damit Sie sie simulieren können.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Entwerfen Sie eine Schaltung, die den Ausgang zwischen zwei Eingangsspannungspegeln abschaltet
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