Исследование аналогового компаратора и триггера шмитта

Цель работы:

Изучение схем, основных параметров и характеристик аналоговых компараторов и триггеров Шмидта на операционных усилителях.

9.1. Теоретические сведения.

9.1.1. Аналоговые компараторы.

Компаратор предназначен для сравнения аналоговых напряжений,

одно из которых является входным (измеряемым) Uвх, а второе -

опорным (задающим) Uоп. В момент равенства мгновенных значений

входных сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется. Кроме функций сравнения, компаратор осуществляет формирование выходных сигналов в виде двух дискретных уровней, один из которых соответствует логической 1, а другой - логическому 0.

Схема простейшего компаратора для сравнения однополярных

сигналов приведена на рис. 9.1.

В нее входит ОУ с цепями питания и коррекции. Схема не содержит обратных связей. Выходное напряжение компаратора равно

Uвых = Кuоу * (Uоп - Uвх)

и, так как Кuоу велик, а ООС отсутствует, то оно принимает одно

из двух дискретных значений +Uнас или -Uнас. При Uоп > Uвх, а Uоп поступает на неинвертирующий вход ОУ, то достаточно даже незначительной разности входных сигналов (Uоп - Uвх), чтобы Uвых приняло значение +Uнас. При Uоп < Uвх выходное напряжение принимает значение -Uнас.

Рис. 9.1.

На рис. 9.2. изображены характеристики Uвых = f(t) реального (сплошной линией) и идеального (пунктирной линией) компаратора. Из характеристики видно, что реальный компаратор переключается с некоторым запаздыванием и процесс переключения занимает некоторое конечное время.

Рис. 9.2.

Рассмотренная схема обладает низкой помехоустойчивостью, так как компаратор может ложно переключиться под действием помехи с малым напряжением, наложенной на полезный сигнал. Это явление получило название "дребезга компаратора". Особенно это явление проявляется при малой скорости изменения входного сигнала. Для повышения помехоустойчивости работы в схему компаратора вводят положительную обратную связь.

Компараторы на ОУ позволяют сравнивать сигналы с порогом

чувствительности, равным десяткам микровольт, при времени переключения порядка единиц микросекунд. Специализированные интегральные компараторы имеют несколько худший порог чувствительности (порядка сотен микровольт) при меньшем времени переключения (порядка сотен наносекунд).

9.1.2. Триггеры Шмидта.

Более высокой помехоустойчивостью обладает компаратор, в который введена положительная ОС на резисторах R2 и R3 (см. рис.9.3).

Такая схема известна под названием триггера Шмидта.

Рис. 9.3.

В этой схеме напряжение на неинвертирующем входе ОУ

U*вх = Uоп + Uос,

Где Uос = (Uвых - Uоп)*R2/(R2 + R3).

За счет действия ПОС напряжение срабатывания Uсраб компаратора становится большим на величину DU = Uос, т.е.

Uсраб = Uоп + DU.

Возвращение компаратора в исходное состояние происходит при напряжении отпускания Uотп, которое равно

Uотп = Uоп -DU.

(при ç+Uнасç = ç-Uнасç)

Отсюда следует, что за счет действия ПОС компаратор обладает гистерезисом

DUг = Uсраб - Uотп.

Зависимость выходного напряжения от входного представлена на рис. 9.4.

Рис. 9.4.

Для уменьшения влияния начальных входных токов ОУ на работу

компаратора резистор R1 выбирают с учетом равенства

R1 = R2*R3/(R2+R3).

Введение ПОС повышает помехоустойчивость и скорость переключения компаратора, но при этом снижается точность сравнения входных напряжений, которая зависит от DUг.

9.2. Подготовка к работе.

9.2.1. Изучить принцип работы, параметры, характеристики

схем компараторов на основе ОУ.

9.2.2. Изучить порядок расчета элементов схем и их качественных характеристик.

9.2.3. По известным значениям элементов схемы триггера Шмидта и заданному преподавателем значению Uоп рассчитать Uсраб, Uотп и D Uг. Нарисовать временные диаграммы работы схемы.

9.2.4. Нарисовать исследуемые схемы компараторов.

9.2.5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

9.3. План работы.

9.3.1. Соберите схему компаратора для сравнения однополярных сигналов рис. 9.5. Приложение 1.

9.3.2. Исследовать работу устройства, изменяя уровень входного сигнала от источника питания вручную при Uоп = const. Определить порог чувствительности компаратора, используя для этого осциллограф. По осциллографу определяют момент срабатывания компаратора и определяют разность DUвхmin = Uоп - Uвхсраб, которая и будет характеризовать порог чувствительности. Uвхсраб замеряют с помощью цифрового вольтметра.

9.3.3. Подать на вход компаратора синусоидальный сигнал

соответствующей амплитуды и частотой f = 1кГц от генератора. Убедиться в правильности функционирования схемы. Зарисуйте осциллограммы входных и выходных сигналов компаратора.

9.3.4. Соберите схему триггера Шмидта рис. 9.6. Приложение 1.

9.3.5. Выполните указания п.п.9.3.2. и 9.3.3. Определите Uсраб, Uотп, и DUг триггера.

9.3.6. Сравните результаты практического исследования с теоретическими расчетами и сделайте выводы.

9.4. Контрольные вопросы.

9.4.1. Назовите основные особенности построения компараторов на ОУ.

9.4.2. Почему в таких схемах, как правило, не используются

ООС.

9.4.3. Как можно повысить помехоустойчивость компаратора?

9.4.4. Как определить синфазное напряжение на входах компаратора для сравнения однополярных сигналов?

9.4.5. Как осуществляется в компараторах формирование нужных значений логических уровней цифровых микросхем U¹вых и U⁰вых.

9.4.6. В чем отличие значений основных параметров компараторов на ОУ и в виде специализированной ИМС?

9.4.7. Начертить схему двухпорогового компаратора и временные диаграммы ее работы.

10. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N10

Дата добавления: 2015-03-29