Лаба. Лаба компараторы. Напряжения

• Название: Напряжения
• Дата: 08.10.2021
• Размер: 0.97 Mb.
• Имя файла: Лаба компараторы.docx
• Тип: Исследование; #243585

^{АНАЛОГОВЫЕ} КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы и исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения, собранных на операционных усилителях.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
Компараторнапряжения— 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 двухвходовыйоднопороговыйаналоговый компаратор представлен на (рис. 1 а). При каждом равенстве нулю напряжений и_вх1 и и_вх2 между инвертирующим и неинвертирующим входами, то есть при u_диф = и_вх1 — и_вх2 = 0, выходное напряжение и_выхкомпаратора изменяется от нижнего U^-_вых предельного значения |U_вых| операционного усилителя до верхнего U⁺_вых, если было u_диф > 0 (рис. 1 б), и наоборот, от верхнего U⁺_вых до нижнего U^-_вых, если u_диф < 0 (рис. 1в).




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 на- пряжения, уровень которого больше напряжения u_вх.mах ОУ, при котором выходное

напряжение достигает предельного значения | U_вых| (см. графики амплитудных характеристик ОУ на рис. 2б и г), то есть и_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 опорнымнапряжением, то исследуемое напряжение и_вх подают на неинвертирующий вход, а на инвертирующий — опорное (постоянное) напряжение и_оп от генератора Е₁ или наоборот (рис. 2). На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы, которые изменяют полярность при u_BX = и_оп = Е₁. В частном случае, когда Е₁ = 0, такой компаратор называют нуль-индикатором.




Рис. 2
Так, при подаче от функционального генератора XFG1 через резистор R1 на инвертирующий вход периодического напряжения треугольной формы | U_вых| /K_U< u_вх

< U_n(амплитуда U_m = 2 В, частота f= 10 Гц) и постоянного опорного напряжения и_оп =1 В от источника Е1 через резистор R2 на неинвертирующий вход ОУ (см. рис. 2) в моменты их равенства (см. точки а, Ь, с и d на рис. 3) на выходе ОУ формируется периодическое напряжение и_вых типа «несимметричный меандр». Пользуясь визирными линиями четырехканального осциллографа XSC1 и эпюрами напряжений u_вх, и_оп, нетрудно определить параметры выходного напряжения (t₁, t₂, U⁺_вых и U^-_вых).Время переключения t_пер компаратора зависит от типа ОУ и составляет несколько микро- или наносекунд.

Установим режим синусоидального напряжения генератора XFG1. При опорном напряжении и_оп =0 на выходе компаратора формируется симметричный меандр (рис. 4а), а при и_оп=1 В — «несимметричный меандр» (рис. 4б)с длительностями импульсов с уровнями U⁺_вых и U^-_вых соответственно t₂ иt₁.При изменении полярности источника опорного напряжения Е1 длительности импульсов с уровнями U⁺_вых и U^-_вых будут соответственно равны t₁ и t₂.

2. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ КОМПАРАТОРЫ

Для получения гистерезисного (двухпорогового) компаратора, называемого триггеромШмитта, в схему сравнения вводят положительную обратную связь (ПОС) с ко-



Рис. 3

эффициентом
  R₂ / (R₂  R_OC )  1/ K_u

Рис. 4
(рис. 5а).Передаточная характеристика такого

устройства имеет гистерезисный характер (рис. 5б): переключение триггера Шмитта из состояния U⁺_вых в состояние U^-_вых происходит при напряжении срабатывания U_cp = + U⁺_вых  , а возвращение в состояние U^-_вых — при напряжении отпускания U_отп = -U^-_вых  .

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

U_r=U_ср –U_отп =(U⁺_вых + U^-_вых)  .

Кроме того, благодаря наличию цепи R_ocR₂ ПОС в гистерезисном компараторе уменьшается время его переключения, то есть увеличивается скорость изменения полярности выходного напряжения прямоугольной формы. В рассматриваемом ком-




Рис. 5
параторе и_оп =0, поэтому напряжение срабатывания и отпускания равны по величине, но противоположны по знаку:

^Uср ^{=+ U+}вых  ^{; U}отп^=-U-вых  ^;

При и_оп  0 на выходе формируется «несимметричный меандр» с разными дли- тельностями срабатывания U_cp и отпускания U_отп.

Так, при подаче от генератора XFG1 на инвертирующий вход гистерезисного компаратора с источником опорного напряжения Е1 (рис. 6) синусоидального напря- жения и_вх (сигнал подан также на канал А осциллографа XSC1, а на канал С подается сигнал и_вх.н с неинвертирующего входа ОУ, равный u_вх.н = U⁺_{вых } или и_вх.н = -U^-_{вых } ) при и_оп = 0 (Е₁ = 0) на выходе компаратора формируется сигнал и_вых (он подается на канал D прибора XSC1) типа меандр (рис. 7a), а при u_on = 1 В — «несимметричный меандр» (рис. 7б).





Рис. 6 Компаратор переключается при напряжениях

U_ср =и_оп + (U⁺_вых - и_оп) _ ; U_отп=и_оп + (-U⁺_вых - и_оп) _ ;

Для получения несимметричной относительно начала координат передаточной характеристики (гистерезисной петли) компаратора (рис. 5б)необходимо исполь-




Рис. 7
зовать цепь ПОС, коэффициент передачи которой  зависит от полярности его входного напряжения и_вх. Так, подключение параллельно резистору R2 диода VD (см. рис. 5а) приводит к тому, что напряжение срабатывания U_cp компаратора при положительных выходных напряжениях U⁺_вых ОУ равно прямому падению напряжения на диоде, а при выходных напряжениях U^-_вых 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 (заданы 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 Roc (посредством замыкания ключа В) — введения в схему ПОС


Рис. 8
составляющие помех во входном напряжении уже не вызывают ложных срабатываний компаратора. Они отсутствуют (рис. 9).




Рис. 9

3. ОДНОВХОДОВЫЙ КОМПАРАТОР

Одновходовый компаратор получается при подключении к одному из входов ОУ па- раллельно двух напряжений: исследуемого и_вх и порогового и_оп при «заземлении» второго входа ОУ (рис. 10а). Пороговое напряжение, при котором происходит пе- реключение компаратора, определяется выражением u_пор = u_onR_l/R₂.

Так, при подаче на вход компаратора (рис. 10 а) синусоидального напряжения от генератора XFG1 и постоянного от генератора Е1 при изменении полярности входного сигнала на выходе компаратора происходит, как в двухвходовом компара-

торе, смена уровней напряжения: с уровня U⁺_вых на уровень U^-_вых или наоборот и фор- мируются прямоугольные импульсы (рис. 10б).

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 AD841, LM339, ОР275 и др.) производителей, время переключения которых составляет от десятых до нескольких десятков наносекунд.

УЧЕБНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание 1. Запустить среду EWB. Cобрать на рабочем поле среды EWB схему для испытания однопорогового двухвходового компаратора на ОУ (рис. 2) и установить в диалоговых окнах компонентов их параметры или режимы работы. Скопировать схему (рис. 2) в отчет.

испытания однопорогового двухвходового компаратора на ОУ (рис. 2) и установить в диалоговых окнах компонентов их параметры или режимы работы. Скопировать схему (рис. 2) в отчет.

1. 
   Установить режим «напряжение треугольной формы» функционального генератора XFG1, амплитуду U_m=1,5 В, частоту f= 10 Гц, смещение уровня напряжения вниз по вертикали на —1,5 В и ЭДС Е₁ = 0,8 В генератора постоянного напряжения Е1. Занустить программу моделирования и, воспользовавшись визирными линиями, в окне осциллографа XSC1 измерить параметры выходного напряжения (U^-_вых , U⁺_вых и t₁, t₂). Скопировать окно осциллографа (см. рис. 3) на страницу отчета.
   

Повторить операции п. 1.1, установив режим синусоидального напряжения генератора XSC1 для двух уровней опорного напряжения: и_оп =0 и и_оп =0,8 В.

Задание 2. Собрать на рабочем поле среды EWB схему для испытания гистере-зисного компаратора (триггера Шмитта) на ОУ (рис. 6) и установить в диалоговых окнах компонентов их параметры или режимы работы. Скопировать схему (рис. 6) в отчет.

1. 
   Задать режим синусоидального напряжения функционального генератора XFG1, амплитуду U_m = 1,5 В, частоту f= 10 Гц, смещение уровня напряжения вниз по вертикали на —1,5 В и ЭДС Е₁= 0 В генератора постоянного напряжения Е1. Устано- вить переключатель А в верхнее положение и замкнуть ключ В. Запустить программу моделирования и, воспользовавшись визирными линиями, в окне осциллографа XSC1 измерить параметры выходного напряжения (U^-_вых , U⁺_вых и t₁ =t₂) типа меандр. Скопировать окно осциллографа (см. рис. 7а) на страницу отчета. Повторить операции п. 2.1 при Е₁ =и_оп =0,8 В.
   
2. 
   Установить переключатель А в нижнее положение и разомкнуть ключ В, тем самым подав, кроме синусоидального напряжения и_вх, сигнал помехи на инвертирующий вход ОУ от генератора Е4 и разомкнув цепь ПОС. Запустить программу на исполнение. Скопировать окно осциллографа (см. рис. 7а) на страницу отчета.
   
3. 
   Замкнуть ключ В, восстановив цепь ПОС. Занустить программу на исполнение. Скопировать окно осциллографа (см. рис. 7б)на страницу отчета. Сравнить выходные сигналы компаратора, полученные в результате выполнения операций п. 2.2 и п. 2.3.
   

Задание 3. собрать на рабочем поле среды EWB схему для испытания од-новходового компаратора на ОУ (рис. 10а) и установить в диалоговых окнах компо- нентов их параметры или режимы работы. Скопировать схему (рис. 10a) в отчет.

Задать режим синусоидального напряжения функционального генератора XFG1, амплитуду U_m = 1,5 В, частоту f= 10 Гц, смещение уровня напряжения вниз по вертикали на —1,5 В и ЭДС Е₁ = 0,8 В генератора постоянного напряжения Е1. Запустить программу моделирования. Измерить параметры выходного напряжения (U^-_вых , U⁺_вых и t₁ , t₂). Скопировать окно осциллографа (см. рис. 10б) на страницу отчета.


Рис. 10

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. 
   Наименование и цель работы.
   
2. 
   Перечень приборов, использованных в экспериментах, с их краткими характери- стиками.
   
3. 
   Изображения электрических схем для испытания однопорогового, гистерезисно- го и одновходового компараторов на ОУ.
   
4. 
   Осциллограммы входных и выходных сигналов компараторов.
   
5. 
   Выводы по работе.
   

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ К РАБОТЕ

1. 
   Укажите, чем отличается схема компаратора напряжения на ОУ от схемы усилителя на ОУ:
   
   • 
     наличием обязательных двух типов обратных связей (ООС и ПОС) в усилителях напряжения и их отсутствием в компараторах;
     
   • 
     принципиальных отличий нет;
     
   • 
     принципиальным отличием является формирование цифрового сигнала на выходе компаратора вследствие подачи на вход сравнительно больших входных по уровню сигналов;
     
   • 
     отсутствием ПОС во всех типах компараторов.
     
2. 
   Укажите, какими средствами обеспечивается гистерезисная передаточная характеристика компараторов:
   
   • 
     введением положительной обратной связи в схемы сравнения напряжений;
     
   • 
     использованием операционных усилителей с высокими коэффициентами усиления напряжения (К_и> 5 • 10⁶);
     
   • 
     использованием источников синусоидального опорного напряжения;
     
   • 
     подачей измеряемого напряжения на неинвертируемый вход ОУ, а опорного — на инвертирующий.
     
3. 
   Укажите, чем обусловлена основная ошибка определения уровня входного напряжения однопорогового компаратора:
   
   • 
     низким уровнем входного напряжения;
     
   • 
     использованием операционных усилителей с низкими коэффициентами усиления напряжения (К_и<10⁵);
     
   • 
     отсутствием в компараторе отрицательной обратной связи;
     
   • 
     низким уровнем опорного напряжения;
     
   • 
     высоким уровнем опорного напряжения.
     
4. 
   Укажите, какие компараторы обладают наибольшей номехоустойчивостью:
   
   • 
     трудно выделить какой-либо тип компаратора, так как все компараторы помехоустойчивы;
     
   • 
     гистерезисные;
     
   • 
     однопороговые двухвходовые;
     
   • 
     нуль-индикаторы;
     
   • 
     однопороговые одновходовые.
     
5. 
   Укажите значение выходного напряжения однопорогового компаратора с пара- метрами: U^-_вых = -10 В; U⁺_вых = +10 В; u_оп = 1 В; и_вх=-1,2 В:
   

 -9 В;  +9 В;  -10 В;  1 В;  +10 В.

6. 
   Укажите значение гистерезисного напряжения гистерезисного компаратора с параметрами: U^-_вых = -6,3В; U⁺_вых = +6,3 В; u_оп = 0; U_cp =+0,5 В; U_отп =-0,3В:
   

 0,8 В;  0,2 В;  -0,5 В;  -6,3 В;  +6,3 В.

7. 
   Укажите значение выходного напряжения однопорогового компаратора с пара- метрами: U^-_вых =-12 В; U⁺_вых = +12 В; u_оп = 0; и_вх =1 В:
   

 -11 В;  +11 В;  -12 В;  1 В;  +12 В.

8. 
   Укажите, может ли выходной сигнал компаратора иметь треугольную форму:
   
   • 
     да;  нет.
     
9. 
   Укажите выражение, посредством которого определяют напряжение срабатывания гистерезисного компаратора (см. рис. 10):
   

• 
  ^Uср ^{ и}вх.mах^{;  U}ср ^{= u}оп ^{+ (U+}вых ^{— u}оп^{)/  ;}
  
• 
  U_cp=u_оп;  U_ср =u_оп + (U^-_вых ^— u_оп)/  ;  U_ср=и_оп —и_вх.