Компаратор, триггер Шмита

Для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в импульсные сигналы, а также для сравнения величины изменяющегося сигнала с постоянным значением опорного сигнала используются функциональные узлы, называемые компараторами. Компаратор может сравнивать опорное напряжение U_О с напряжением изменяющегося сигнала U_C.

Компараторы часто строятся на основе операционных усилителей. Если значения входного сигнала превышают уровни, соответствующие линейной области амплитудной характеристики ОУ, то выходное напряжение ОУ равно одному из фиксированных значений – U⁺_{ВЫХ MAX} или U^-_{ВЫХ MAX}. После ОУ может быть установлен преобразователь уровней напряжения – так осуществляется переход к уровням напряжения конкретного схемотехнического базиса дискретных интегральных схем. Принципиальная схема компаратора на ОУ приведена на рисунке 1.28.

Рисунок 1.28 – Компаратор на операционном усилителе

Входное и опорное напряжения подаются на входы компаратора симметрично. Входной сигнал ОУ определяется выражением U_УС = U_C – U_O, и этот сигнал определяет передаточную характеристику компаратора. Если величины сигналов U_C и U_O не превышают значений допустимых входных напряжений ОУ, то эти сигналы могут подаваться на входы ОУ без резистивных делителей напряжения.

Если U_C < U_O, то U_УС < 0 и U_ВЫХ = U⁺_ВЫХMAX. Если U_C > U_O, то U_УС > 0 и U_ВЫХ = U^-_ВЫХMAX. Так как коэффициент усиления ОУ очень велик, то переключение выходного состояния компаратора происходит при U_УС» 0. При смене местами источников входных сигналов компаратора происходит инверсия его передаточной характеристики.

Если сигнальный сигнал на входе компаратора имеет шумовую составляющую, она многократно и случайным образом переключает выходной сигнал компаратора. В этом случае невозможно установить момент равенства сигнального и опорного напряжений на входе компаратора. При зашумлённом входном сигнале применяют триггер Шмита – компаратор, имеющий положительную обратную связь, вследствие которой его передаточная характеристика обладает петлей гистерезиса. Электрическая принципиальная схема триггера Шмита приведена на рисунке 1.29.

На рисунке 1.30 приведена передаточная характеристика триггера Шмита для положительного значения опорного напряжения.

Рисунок 1.29 – Триггер Шмита на ОУ

Эта характеристика имеет петлю гистерезиса, границы которой определены пороговыми напряжениями U_ОТП и U_СР. Значения пороговых напряжений можно получить из выражений:

; ;

. (1.21–1.23)

Рисунок 1.30 – Передаточная характеристика триггера Шмита

Чтобы на выходе триггера Шмита можно было получить максимальное выходное напряжение ОУ при изменении входного сигнала с некоторой частотой, необходимо оценить полосу максимальной мощности ОУ с помощью выражения, связывающего указанные параметры с максимальной скоростью изменения выходного напряжения ОУ:

. (1.24)

Погрешность компаратора Du входит в инструментальную погрешность устройства, в котором он используется. В инженерной практике часто применяют условие непревышения величиной Du среднеквадратичного значения погрешности квантования цифрового устройства, равной .

Важной характеристикой компаратора является его быстродействие. Из-за инерционности ОУ может быть неправильная реакция на его выходе при быстром изменении значения входного сигнала. Задержка Dt_з появления сигнала на выходе относительного момента изменения сигнала на входе зависит от диапазона, в котором изменяется входной сигнал. Значение Dt_з обычно нормируют при превышении входного сигнала над u₀ = 100 мВ на 5 мВ. Так, для специальных ИС компараторов 554СА1, 521СА3(СА4) и 597СА1(СА2) Dt_з равна 135 нс, 120 нс, 50 нс, 6,5 нс и 12 нс. Для компараторов на ОУ Dt_з » 1 мкс.

Компараторы, специально разработанные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные, переключаются гораздо быстрее, чем ОУ. Компараторы могут применяться в различных схемах с ПОС: формирователях, релаксационных генераторах и т. п. Компараторы можно разделить на 4 группы: общего применения (К521СА2; СА5), прецизионные (К521СА3; К597СА3), быстродействующие (К591СА1; СА2) и специализированные (К521СА1; СА4; К1121СА1; К1401СА1).

Дата добавления: 2014-01-13