Elaborazione del segnale con amplificatori operazionali

Ho il compito di riprodurre il seguente segnale

usando solo amplificatori operazionali (e resistori).

Sono abbastanza sicuro di dover aggiungere due segnali, le forme d'onda quadrate e triangolari, è abbastanza difficile capire come torcere il segnale da -8 V a 0 V.

Ho provato a ottenere la funzione di trasferimento in base a un segnale di forma d'onda quadrata V2 (da -6 V min a 0 V max, freq = 1Hz) e una forma d'onda tringulare V1 (0 V min, 2 V max, freq = 1Hz) con questo, ottengo il seguente uscita Vo:

Vo = -2V1-2V2-4

Che soddisfa la seguente tabella TRANNE IL PUNTO 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

Cosa farei?

Sia il quadrato che il triangolare sono forniti come segnali di ingresso, il circuito non li genera ma li elabora per dare come risultato il segnale mostrato in figura. È per un progetto, quindi è una specie di compito a casa e ci sto lavorando sodo proprio ora. Sia l'ampiezza che il dominio del tempo sono ugualmente importanti.

La pendenza positiva dell'onda triangolare richiede il doppio del guadagno della pendenza negativa, questo non può essere fatto in un circuito di opamp e resistori senza alcun trucco:

Segnale s1 = onda triangolare, da 0 V a +4 V
Segnale s2 = onda quadra, da 0 V a +12 V
Segnale s3 = s1 / 2 + s2 / 2, da 0 V a +8 V

$\pm$

$\times$

Schema , solo 2 opamp e 9 resistori:

Un'altra opzione è questo circuito, che utilizza lo stesso numero di opamp di Stevens ma funziona in modo leggermente diverso.
Si basa su diversi guadagni per le oscillazioni positive / negative (ottenute con i diodi nel circuito di retroazione)
R2, R5 e R11 attenuano e spostano il segnale -6V-0V su -2V-2V, mentre presentano un'impedenza di 1kΩ all'opamp ingresso. R7 e R8 devono impostare i diversi guadagni per le oscillazioni positive / negative.
I due componenti (postivi / negativi toccati dai punti "POS" e "NEG") del segnale finale vengono quindi sommati e invertiti dall'opamp U2 e si ha il segnale di uscita.

Simulazione:

Puoi vedere i segnali di ingresso (blu / rosso) e il segnale di uscita (verde) nel grafico in alto. In basso puoi vedere i componenti positivi e negativi (rosa / azzurro) che sono sommati da U2.

EDIT - Quindi nessun diodo allora?

Solo per divertimento e per mantenere i vincoli, ecco lo stesso circuito, ma invece utilizza un opamp con diodi di protezione dell'ingresso ;-)

Ed ecco la simulazione:

Ho incluso la corrente attraverso gli ingressi opamp per mostrare l'azione del diodo. L'uscita è la stessa del primo circuito. In teoria questo dovrebbe funzionare con qualsiasi opamp con protezione da ingresso a diodo limitato non corrente su rotaia.

Ciò che rende difficile questo problema è che non hai solo la somma di un'onda triangolare e un'onda quadra. I passi negativi dell'onda quadra sono -12 V, ma i passi positivi solo +8 V.

Cercare di creare il segnale finale come un composto di diversi segnali come suggerito da Steven e Oli è perfettamente valido e potrebbe in effetti essere la risposta migliore. Tuttavia, ecco un modo diverso di pensare a questo problema.

Si consideri un condensatore che può essere caricato e scaricato con correnti fisse e può anche essere bloccato in alto e in basso "istantaneamente" a +8 e -8 volt. Solo per scegliere qualcosa, ad esempio usiamo un condensatore da 10 nF. La sua scarica di 4 V in 1 ms richiederebbe -40 µA. Per caricarlo 8 V in 1 ms richiederebbe +80 µA. Potresti avere sorgenti microamp -40 e +80 separate che sono abilitate al momento giusto. Tuttavia, è probabilmente più facile avere una sorgente fissa -40 µA e una sorgente commutabile +120 µA.

Tutto può essere guidato da un'onda quadra a 500 Hz. la sorgente di corrente 120 µA è abilitata quando l'onda quadra è positiva (tra 1-2 ms e 3-4 ms nel diagramma). Il morsetto lato basso è abilitato per un breve periodo dal fronte di salita dell'onda quadra e il morsetto alto alto dal bordo di discesa. Poiché la tensione viene reimpostata su uno dei limiti del morsetto una volta per millisecondo, questo metodo evita facilmente la fuga se i gradini e le rampe non si sommano esattamente a zero per ciclo.

Questo non è uno schema, solo uno schema del concetto generale. Ho transistor NPN e PNP per i morsetti solo per mostrare l'idea generale. Ci sarebbe più bisogno, come un diodo e / o una resistenza, di resettare C2 e C3 in tempo per il prossimo utilizzo se i transistor bipolari sono effettivamente utilizzati. Le fonti correnti possono essere create con opamps e ci sono vari modi per accenderne e spegnerle.

Ancora una volta, questo è un concetto solo con i dettagli lasciati come esercizio. Tuttavia, penso che questo potrebbe essere realizzabile a seconda di molte cose che non ci hai detto, come precisione, unità di uscita, velocità dei bordi, ecc. Potrei entrare in dettagli più specifici se questa è una direzione che ti interessa.

Che ne dici di aggiungere un offset all'onda quadra per renderlo asimmetrico, quindi integrarlo con un amplificatore operazionale e sottrarlo dall'onda quadra originale. Non riesco a risolverlo, ma sembra un approccio praticabile.