СКАЧАТЬ:  uca-laba-2.3.zip [593,48 Kb] (cкачиваний: 177)

Отчет по лабораторной работе № 2.3

«Исследование работы аналогового компаратора»

по дисциплине:

«Устройства цифровой автоматики»

Задание 2.3. Исследование работы аналогового компаратора

Цель работы

         Изучение схемы включения ОУ в режиме компаратора, определение передаточной характеристики компаратора, изучение схемы включения положительной обратной связи.

Краткие сведения из теории

      Компараторы на микросхемах операционных усилителей. Наличие двух входов и большой коэффициент усиления ИМС ОУ позволяют строить на их основе компараторы.                                               

а)                                                  б)      

Рис.1. Компаратор на основе ОУ

         а) Схема компаратора                               б) Временные диаграммы

        На рис.1а) приведена схема компаратора для сравнения однополярных сигналов. Полярность u_вых определяется большим из напряжений U_оп и u_х:

u_вых = K(U_оп – u_х),

величина u_вых за счет большого коэффициента усиления К и отсутствия обратной связи достигает U_нас⁺(U_нас^-) при весьма  незначительной  разности U_оп и u_х.

        До момента времени t₁, U_оп > u_х, т. е. полярность напряжения U_вых  совпадает с полярностью напряжения U_оп и u_вых=U⁺_нас. Вслед за равенством (в момент t₁) напряжение u_х начинает превышать U_оп. Теперь полярность и_вых определяется напряжением и_х на инвертирующем входе и противоположна u_х. При весьма незначительном превышении u_х  над U_оп, т.е. практически в момент t₁ напряжение на выходе устанавливается равным U_нас^-_.. В момент времени t₂  вновь наступает равенство сигналов, вслед за которым u_х становится меньше U_оп - напряжение на выходе скачком переходит от  U_нас^-  к U⁺_нас.

        Статическая характеристика компаратора u_вых = f(t), дан­ная на рис.1б) пунктиром, соответствует идеальному компаратору (считается, что переключение u_вых  происходит мгновенно в момент равенства u_х и U_оп), а сплош­ная линия - реальному компаратору: переключение начинается с некоторым запаздыванием относительно t₁ и t₂  и длится определенное время. Если в схеме U_оп = 0, то компаратор переключается при u_х » 0 и называется детектором нулевого уровня. Схему при U_оп 0 называют детектором ненулевого уровня.

        Для получения на выходе компаратора цифровых уровней (соответствую­щих логической 1 и логическому 0) в схеме рис.1а) введен ограничитель, состоящий из диодов VD1, VD2 и резистора R.

        а)                                                           б)

Рис.2. Схема компаратора с диодными ограничителями

      а) Схема компаратора                               б) Временная диаграмма

        Напряжение на открытом диоде порядка 0.7 В. Поэтому напряжение на выходе (рис. 2б) при данных, указанных на рис.2а), не может быть выше 3.7 В (когда u_вых > 0 и открыт диод VD1) и ниже – 0.7 В (когда u_вых < 0 и открыт диод VD2).

              а)                                                          б)

Рис.3. Компаратор для сравнения разнополярных сигналов

                                     а) Схема компаратора                      б) Временные диаграммы

        На рис.3а) приведена схема компаратора для сравнения разнополярных напряжений, которые подаются на один инвертирующий вход. По­тенциал не инвертирующего входа U⁽⁺⁾ = 0.

        Если R₁ = R₂, то U^(–) = 0 при равенстве абсолютных значений u_х и U_оп. В тот момент, когда они сравняются, U^(–) станет равным U⁽⁺⁾ и идеальный компаратор переключится из одного состояния в другое (рис.3б).

        Приведенные схемы отличаются низкой помехозащищенностью: компаратор может переключаться под влиянием помехи, которая накладывается на полезный сигнал.

        Это ложное срабатывание особенно возможно при малой скорости изменения сигнала, когда результирующее напряжение (сигнал + помеха) успевает несколько раз пересечь уровень U_оп в то время как сигнал u_х еще мало от него отличается.

        Указанный недостаток устраняется в так называемом регенеративном компараторе (рис.4), в котором резисторами R4, R2 введена положительная обратная связь. В данном случае напряжение U⁽⁺⁾ равно сумме напряжений U_оп и напряжения обратной связи, выделяющегося на резисторе R2.

                а)                                                       б)                                           в)

Рис.4. Схема компаратора с ПОС.

а) Схема компаратора   б) Временные диаграммы  в) Статическая характеристика

        Когда u’_вых = U_нас⁽⁺⁾, напряжение на входе (+) ИМС u⁺ = U_оп + U_оc (называемое напряжением срабатывания U_cр); когда u’_вых = U_нас^(–), то u⁺ = U_оп - U_оc (называемое напряжением отпускания U_отп).

        До поступления u_х напряжение u_вых за счет U_оп равно U_нас⁽⁺⁾. Поэтому переключение компаратора может наступить только тогда, когда u_х превысит U_cр. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логической 1 до уровня логического 0 (рис.4б). Теперь u’_вых = U_нас^(–) и переключение компаратора может осуществиться, когда u_х будет ниже U_отп. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логического 0 до уровня логической 1. Если амплитуда помехи меньше разности U_ср – U_отп , то ложного срабатывания происходить не будет.

        За счет положительной обратной связи компаратор (рис.4а) обладает гистерезисом: переходы u_вых от одного уровня к другому происходят при разных входных напряжениях (U_ср и U_отп) На рис.4в) приведена гистерезисная кривая u’_вых = f(u_х). При увеличении сигнала u_х переключение u’_вых происходит при u_х = U_ср, а при уменьшении сигнала — при u_х = U_отп.    Чтобы гистерезисная кривая была симметрична относительно опорного напряжения U_оп, верхний и нижний пороги выходного напряжения должны быть одинаковы по значению. Поэтому в схеме рис.4а) цепь положительной обратной связи подключается к выходу ИМС ОУ до узла, ограничивающего u_вых на уровнях U¹_вых и U⁰_вых т. е. к напряжениям U_нас⁽⁺⁾ или U_нас^(–), абсолютные значения которых принимаются равными.

        Кроме того, положительная обратная связь повышает скорость переключения компаратора. Если u_вых, к примеру, уменьшается, то уменьшается и напряжение на входе (+), что приводит к дополнительному уменьшению u_вых. Наряду с этим точность сравнения входных напряжений уменьшается: компаратор переключается при U_ср и U_отп, не равных U_on.

Порядок выполнения задания

1. Проведите моделирование компаратора при опорном напряжении Un=50 и 200мВ при наличии помех U=100 мВ.
2. Для компаратора на рис.4а) проведите моделирование при Un=0,5; 0,6; 0,7 В.
3. Используйте полученные данные при проверке формулы для определения ширины гистерезиса ∆U=2UnR1/(R1+R2) при напряжении насыщения ОУ 5 В.
4. Составить функциональную схему двухпорогового устройства, напряжение на выходе которого переключается от уровня логического 0 к уровню логической 1, когда входное напряжение выходит за назначенные пороги. Условия задачи иллюстрируются рис.5, где U₁ и U₂ — соответственно верхний и нижний уровни.
5. Построить полученную схему. Получить осциллограммы сигналов на входе и выходе схемы с помощью осциллографа.

Выбрать элементы схемы и замерить параметры импульсов устройства.

Рис.5. Схема двухпорогового компаратора

Выполнение задания

1.Построили компаратор на основе ОУ для сравнения однополярных сигналов.

Рис.6.

Добавили к входному сигналу, имеющему  амплитуду U=50 mV и частоту f =1 Гц,  прямоугольную помеху с амплитудой U=100 mV и частотой f =10 Гц. Очевидно, возникнут ложные срабатывания компаратора.

Рис.7.

При входном сигнале, имеющем амплитуду 200 mV, ложные срабатывания будут более короткими, ложные переходы будут осуществляться только в моменты достижения помехой минимального значения.

Рис.8.

При амплитуде входного сигнала, равной 250 mV, компаратор и вовсе не будет реагировать на помеху.

Рис.9.

2. Получили схему регенеративного компаратора с амплитудой входного сигнала, равной 600 mV, и соответствующие ему временные диаграммы.

Рис.10.

Введением положительной обратной связи мы добились того, что компаратор не реагирует на помеху.

Рис.11.

1. Построили схему регенеративного компаратора с напряжением насыщения, равным 5В. Получили временной график входного и выходного сигналов и статическую характеристику компаратора.

Рис.12

                                Рис.13                                                                Рис.14

Измерили ширину полученной гистерезисной кривой. Она оказалась равной 3.8 mV.

Рис.15

Расчетное значение ширины гистерезиса:

1. По заданной схеме (рис.5) получили функциональную схему двухпорогового устройства.

Рис.16

Схему двухпорогового компаратора получили на основе двух ИМС ОУ, выходы с которых объединили с помощью логического элемента ИЛИ. С помощью осциллографа получили временные диаграммы входного и выходного сигналов.

Рис.17

1. На выходе получили импульсы переменной длительности, параметры  которых:

амплитуда = 5В

длительность первого импульса = 176 мс

длительность второго импульса = 616 мс

длительность паузы между первым и вторым импульсом = 105 мс

Вывод: Изучили принцип действия  компаратора, построенного на основе ИМС ОУ для сравнения однополярных и разнополярных сигналов. Подав на инвертирующий вход помехи, на выходе получили ложные срабатывания компаратора. Собрав регенеративный компаратор, добились устранения воздействия помех. Собрали схему двухпорогового компаратора, изучили его работу по временным диаграммам, полученным на осциллографе.