Аналоговые компараторы напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа

Аналоговые компараторы напряжения.

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы. Изучение принципа работы и исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения, собранных на операционных усилителях.

Приборы и принадлежности.

1). ПК с установленным ПО National Instruments.

2). NI ELVIS II.

Теоретические сведения.

Компаратор напряжения - устройство сравнения, сопоставления двух напряжений для определения факта и момента их равенства.

Различают однопороговые (двухвходовые или одновходовые) и гистерезисные (симметричные или несимметричные) компараторы.

1. ОДНОПОРОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ

Простейший двухвходовый однопороговый аналоговый компаратор представлен на (рис. 1, а). При каждом равенстве нулю разности напряжений между инвертирующим u_вх1 и неинвертирующим u_вх2 входами, т. е. при u_диф = = u_вх1 u_вх2 = 0, выходное напряжение u_вых компаратора изменяется от нижнего предельного значения U_вых операционного усилителя до верхнего , если было дифференциальное напряжение u_диф > 0 (рис. 1, б), и наоборот, от верхнего до нижнего , если u_диф < 0 (рис. 1, в).

Рис. 1

По существу, однопороговый двухвходовый компаратор представляет собой аналог операционного усилителя (ОУ) без обратных связей, на выходе которого формируется двухуровневый дискретный сигнал в зависимости от величины и знака рассогласования аналоговых напряжений на его входах. Поэтому компараторы часто используются в качестве элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Отличием, создающим новое качество ОУ, является использование входного напряжения, уровень которого больше напряжения u_вх.max ОУ, при котором выходное напряжение достигает предельного значения U_вых (см. графики амплитудных характеристик ОУ на рис. 2, б и г), т. е. u_вх > U_вых/K_u. Используемые уровни входного напряжения переводят работу ОУ из режима усиления в режим сравнения двух сигналов. Если компаратор предназначен для сравнения входного напряжения с опорным напряжением, то исследуемое напряжение u_вх подают на неинвертирующий вход, а на инвертирующий - опорное (постоянное) напряжение u_оп от генератора E₁ или наоборот (рис. 2). На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы, которые изменяют полярность при u_вх = u_оп = E₁. В частном случае, когда E₁ = 0, такой компаратор называют нуль-индикатором.

Рис. 2

компаратор напряжение аналоговый усилитель

Так, при подаче от функционального генератора XFG1 через резистор R1 на инвертирующий вход периодического напряжения треугольной формы U_вых/K_u < u_вх < U_п, (амплитуда U_m = 2 В, частота f = 10 Гц) и постоянного опорного напряжения u_оп = 1 В от источника Е1 через резистор R2 на неинвертирующий вход ОУ (см. рис. 2), в моменты их равенства (см. точки а, b, c и d на рис. 3) на выходе ОУ формируется периодическое напряжение u_вых типа "несимметричный меандр".

Пользуясь визирными линиями четырехканального осциллографа XSC1 и эпюрами напряжений u_вх, u_оп нетрудно определить параметры выходного напряжения (t₁, t₂, и ). Время переключения t_пер компаратора зависит от типа ОУ (его зоны нечувствительности) и составляет несколько микро- или наносекунд.

Рис. 3

Установим режим синусоидального напряжения генератора XFG1. При опорном напряжении u_оп = 0 на выходе компаратора формируется симметричный меандр (рис. 4, а), а при u_оп = 1 В "несимметричный меандр" (рис. 4, б) с длительностями импульсов с уровнями и соответственно t₂ и t₁. При изменении полярности источника опорного напряжения Е1 длительности импульсов с уровнями и будут соответственно равны t₁ и t₂.

Рис. 4

2. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ КОМПАРАТОРЫ

Для получения гистерезисного (двухпорогового) компаратора, называемого триггером Шмитта, в схему сравнения вводят положительную обратную связь (ПОС) с коэффициентом = R₂/(R₂ + R_oc) > 1/K_u (рис. 5, а). Передаточная характеристика такого устройства имеет гистерезисный характер (рис. 5, б): переключение триггера Шмитта из состояния в состояние происходит при напряжении срабатывания U_ср = +, а возвращение в состояние - при напряжении отпускания U_отп = .

Гистерезисный компаратор достаточно помехоустойчив; его помехоустойчивость определяется значением напряжения гистерезиса (см. рис. 5, б)

U_г = U_ср U_отп = ( + ).

Кроме того, благодаря наличию цепи R_ocR₂ ПОС в гистерезисном компараторе уменьшается время его переключения, т. е. увеличивается скорость изменения полярности выходного напряжения прямоугольной формы. В рассматриваемом компараторе u_оп = 0, поэтому напряжение срабатывания и отпускания равны по величине, но противоположны по знаку:

U_ср = + ;

U_отп = .

При u_оп 0 на выходе формируется "несимметричный меандр" с разными длительностями срабатывания U_ср и отпускания U_отп.

Рис. 5

Так, при подаче от генератора XFG1 на инвертирующий вход гистерезисного компаратора с источником опорного напряжения Е1 (рис. 6) синусоидального напряжения u_вх (сигнал подан также на канал А осциллографа ХSС1, а на канал С подаётся сигнал u_вх.н с неинвертирующего входа ОУ, равный u_вх.н = или u_вх.н = ) при u_оп = 0 (Е₁ = 0) на выходе компаратора формируется сигнал u_вых (он подаётся на канал D прибора ХSС1) типа меандр (рис. 7, а), а при u_оп = 1 В "несимметричный меандр" (рис. 7, б).

Рис. 6

Компаратор переключается при напряжениях

U_ср = u_оп + ( u_оп) ;

U_отп = u_оп + ( u_оп).

Рис. 7.

Для получения несимметричной относительно начала координат передаточной характеристики (гистерезисной петли) компаратора (рис. 5, б) необходимо использовать цепь ПОС, коэффициент передачи которой зависит от полярности его входного напряжения u_вх. Так, подключение параллельно резистору R2 диода VD (см. рис. 5, а) приводит к тому, что напряжение срабатывания U_ср компаратора при положительных выходных напряжениях ОУ равно прямому падению напряжения на диоде, а при выходных напряжениях ОУ, когда диод заперт, напряжение отпускания U_отп компаратора определяется, как и в схеме ПОС без диода, коэффициентом

ПОС = R₂/(R₂ + R_oc).

Если во входном сигнале имеются импульсные помехи, то они могут привести к ложным срабатываниям компаратора. Для имитации импульсных помех в схему (рис. 6) посредством переключателя А, последовательно с генератором XFG1 подключим источник прямоугольных импульсов Е4 (задана амплитуда 0,15 В и частота 250 Гц).

При разомкнутой цепи ПОС (ключ В разомкнут) на осциллограмме выходного напряжения (рис. 8) видны ложные срабатывания компаратора, а при включении в схему резистора Rос (посредством замыкания ключа В) введения в схему ПОС, составляющие помех во входном напряжении уже не вызывают ложных срабатываний компаратора. они отсутствуют (рис. 7.9).

Рис. 8

3. ОДНОВХОДОВЫЙ КОМПАРАТОР

Одновходовый компаратор получается при подключении к одному из входов ОУ параллельно двух напряжений: исследуемого u_вх и порогового u_оп при "заземлении" второго входа ОУ (рис. 9, а). Пороговое напряжение, при котором происходит переключение компаратора, определяется выражением: u_пор = u_опR₁/R₂.

Рис. 9

Так при подаче на вход компаратора (рис. 9, а) синусоидального напряжения от генератора XFG1 и постоянного от генератора Е1 при изменении полярности входного сигнала на выходе компаратора происходит, как в двухвходовом компараторе, смена уровней напряжения: с уровня на уровень или наоборот и формируются прямоугольные импульсы (рис. 9, б).

Изменяя в небольших пределах параметры входного сигнала, опорного напряжения и значения сопротивлений резисторов R1 и R2, можно качественно оценить их влияние на параметры выходного сигнала компаратора.

На рынке представлен большой ассортимент специализированных интегральных микросхем компараторов отечественных (типа КР1040УД, КР1401СА, 521СА1, 521СА5 и др.) и зарубежных (типа АD841, LM339, ОР275 и др.) производителей, время переключения которых составляет от десятых до нескольких десятков наносекунд.

Размещено на Allbest.ru