Сведения, необходимые для выполнения работы. Целью работы является:

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНАЛОГОВЫХ КОМПАРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Целью работы является:

• ознакомление с характеристиками аналоговых компараторов напря­жения;

• исследование работы однопорогового компаратора;

• исследование работы гистерезисного компаратора;

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

• назначение, принцип действия и классификация аналоговых компа­
раторов

[1, с. 92-100],

• особенности работы операционного усилителя (ОУ) в качестве схе­мы сравнения аналоговых сигналов [2, с. 349-354],

• принципы построения и характеристики однопороговых компарато­ров на основе ОУ [2, с. 354-359],

• принципы построения и характеристики гистерезисных компарато­ров на основе ОУ [2, с. 359-367].

Компаратором называется устройство сравнения двух аналоговых сигналов, один из которых может быть задан как эталонный. При этом на выходе устройства формируются только два значения выходного сигнала: напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U_B, если разность между входными сигналами положительна и, наоборот, низкий уровень U_H, если разностное напряжение отрицательно. Эти условия записываются следующим образом:

(7.1)

В общем случае напряжение U вых может отличаться как по величи­не, так и по знаку. На практике наибольшее распространение получили устройства, формирующие на выходе либо напряжения противоположной полярности при практически равных абсолютных значениях, либо напря­жения одной полярности. Первый случай характерен для использования в качестве схемы сравнения операционного усилителя (ОУ), второй- при использовании специализированных интегральных схем. Во втором случае выходные напряжения компаратора согласованы по величине и полярно­сти с сигналами, используемыми в цифровой технике.

Поэтому можно сказать, что входной сигнал компаратора носит ана­логовый характер, а выходной - цифровой. Вследствие этого компараторы часто используются в качестве элементов связи между аналоговыми и циф­ровыми устройствами.

На рис. 7.1 приведена схема инвертирующего усилителя без обрат­ной связи и его передаточная характеристика.

Рис. 7.1. Схема инвертирующего усилителя (а) и его передаточная характеристика (б)

Пока входной сигнал удовлетворяет соотношению:

(7.2)

где Uorp+ и Uorp- - положительный и отрицательный уровни ограничения выходного сигнала ОУ, а К_0У - коэффициент усиления ОУ, схема работает в линейном режиме и выходной сигнал изменяется пропорционально входному.

При нарушении условия (7.2) ОУ переходит в режим ограничения, и выходное напряжение может принимать одно из двух предельных значе­ний: U_B=Uorp+ или UH=Uorp- Пусть абсолютные значения уровней ограни­чения выходного сигнала ОУ равны \Uorp+\ ⁼\Uorp-\⁼U_0гр- Тогда при ис­пользовании ОУ в качестве компаратора должно выполняться соотноше­ние:

(7.3) ения, с зывают наряже- словию его по- (7.4) нышить спечить

В рассмотренной схеме (рис.7.1) эталонный уровень напряжения, с которым сравнивается входной сигнал, равен нулю и ее часто называют детектором нуля сигнала или схемой определения прохождения напряже­ния через нуль.

Диапазон значений входного сигнала, соответствующий условию (7.2), является зоной неопределенности компаратора и определяет его по­грешность. Абсолютная величина этой погрешности равна:

Для уменьшения погрешности компаратора необходимо уменьшить интервал неопределенности входных напряжений. Это можно обеспечить одним из следующих способов:

едении (7.5) а b ос- схемы а прак- неста-не мо-ить.

• использование ОУ с большим коэффициентом усиления;

• введение в схему положительной обратной связи (ПОС).

Из теории известно, что коэффициент передачи усилителя при введении ПОС Kпoc описывается выражением:

где К_0У - коэффициент передачи схемы без обратной связи (ОС), а Ь_0С -коэффициент передачи цепи ОС.

Из (7.5) следует, что при b_oc=1/ K_oy коэффициент усиления схемы будет равен бесконечности, а погрешность компаратора - нулю. На прак­тике это условие трудно выполнимо из-за разброса параметров и неста­бильности характеристик ОУ. Поэтому погрешность компаратора не мо­жет быть устранена полностью, однако ее удается существенно снизить.

Однопороговый компаратор.

оторых оложи-ва все-пряже-пряже-оваться ент пе- (7.6) что ее

Анализируя схему, приведенную на рис.7.1а, можно сказать, что ее

Однопороговыми называются устройства сравнения, для которых коэффициент усиления используемого усилителя всегда остается положи­тельным (К_ОУ>0). Из этого следует, что при работе такого устройства все­гда присутствует некоторая область неопределенности входного напряже­ния, т.е. существует погрешность определения уровня входного напряже­ния. В качестве однопороговых устройств сравнения могут использоваться ОУ без цепей ОС или с положительной ОС, для которой коэффициент пе­редачи обратной связи удовлетворяет неравенству:

срабатывание происходит в момент равенства нулю напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ. Используя данное свойство указанной схемы, можно легко построить на ее основе устройст­во сравнения входного напряжения с некоторым наперед заданным эта­лонным уровнем напряжения.

Для этого достаточно неинвертирующий вход ОУ (рис.7.1а) подключить к общей шине устройства через источник ЭДС Е_эт абсолютная величина кото­рого и знак соответствуют требуемому эталонному уровню сравнения (рис. 7.2а). В этом случае при идеальном ОУ (R_BХ -->oo) напряжение между инверти­рующим и неинвертирующим входами достигнет нулевого значения, когда уровень и полярность входного напряжения и_вх будут в точности равны пара­метрам эталонного источника Е_эт. На рис.7.2.бе показаны передаточные ха­рактеристики компаратора для случаев Е_эт >0 и Е_эт <0 соответственно. На­пряжение Еэт называют порогом срабатывания устройства сравнения.

Рис. 7.2. Схема однопорогового компаратора со смещенным порогом срабатывания (а) и его передаточные характеристики при Еэт >0 (б) и

Еэт^<0 (в)

Если в схеме на рис. 7.2 а вместо источника эталонного напряжения ис­пользовать второе входное напряжение, получится схема сравнения двух на­пряжений. Пренебрегая погрешностью, обусловленной наличием диапазона неопределенности входного напряжения, можно сказать, что переключение компаратора будет происходить в момент равенства входных напряжений, как по абсолютному значению, так и по знаку. Схема такого устройства и времен­ные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 7.3.

Дата добавления: 2015-05-06