О САЙТЕ
Добро пожаловать!

Теперь вы можете поделиться своей работой!

Просто нажмите на значок
O2 Design Template

ФЭА / АИТ / ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ АВТОМАТИКИ» НА ТЕМУ: «Цифровые компараторы»

(автор - student, добавлено - 29-09-2017, 17:02)

 

 

Скачать:  analogovyy-komparator.zip [325,79 Kb] (cкачиваний: 5)

 

кафедра АИТ

дисциплина: "УЦА"

на тему:

"Цифровые компараторы"

 

Аналоговые компараторы

 

Общие сведения

Компаратор предназначен для сравнения аналоговых сигналов: один из них называется опорным, а другой – измеряемым или входным. В момент равенства сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется.

Обычно после компаратора включается цифровой элемент, на вход которого следует подавать напряжения только двух уровней: один соответствует логической единице, а другой – логическому нулю. Поэтому напряжения на выходе компаратора должны принимать эти значения.

 

Исследование работы аналоговых компараторов.

 

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 построить компаратор на ее основе.

На рис. 2.15, а приведена схема компаратора для сравнения однополярных сигналов. Полярность uвых определяется большим из напряжений Uоп и uх:

uвых = K(Uоп uх),(2.17)

а величина uвых за счет большого коэффициента усиления К и отсутствия обратной связи достигает Uнас+(Uнас-) при весьма незначительной разности Uоп и uх.

До момента времени t1,(рис. 2.15, б) Uоп > uх,т. е. полярность напряжения Uвых совпадает с полярностью напряжения Uоп и uвых=U+нас. Вслед за равенством (в момент t1)напряжение uх начинает превышать Uоп. Теперь полярность ивых определяется напряжениемих на инвертирующем входе и противоположна uх. При весьма незначительном превышении uх над Uоп, т.е. практически в момент t1 напряжение на выходе устанавливается равным

 


Uнас. В момент времени t2 вновь наступает равенство сигналов, вслед за которым uх становится меньше Uоп - напряжение на выходе скачком переходит от Uнас к U+нас.

 

 

Подпись: Рис. 2.15

Статическая характеристика компаратора uвых = f(t) (рис. 2.15, б), дан­ная пунктиром, соответствует идеальному компаратору (считается, что переключение uвых происходит мгновенно в момент равенства uх и Uоп), а сплош­ная линия - реальному компаратору: переключение начинается с некоторым запаздыванием относительно t1 и t2 и длится определенное время. Заметим, что если в схеме (рис. 2.15, а) Uоп = 0, то компаратор переключается при uх » 0 и называется детектором нулевого уровня. Соответственно схему (рис. 2.15, а) при Uоп # 0 называют детектором ненулевого уровня.

 

 


Для получения на выходе компаратора цифровых уровней (соответствую­щих логической 1 и логическому 0) в схеме рис. 2.16, а введен ограничитель, состоящий из диодов VD1, VD2 и резистора R.

 

 

Рис.2.16

 


Напряжение на открытом диоде порядка 0,7 В. Поэтому напряжение на выходе (рис. 2.16, б) при данных, указанных на рис. 2.16, а,не может быть выше 3,7 В (когда uвых > 0 и открыт диод VD1) и ниже – 0,7 В (когда uвых < 0 и открыт диод VD2).

 

Рис.2.17

 


На рис. 2.17, а приведена схема компаратора для сравнения разнополярных напряжений, которые подаются на один инвертирующий вход. По­тенциал не инвертирующего входа U(+) = 0.

ЕслиR1 = R2, то U(–) = 0 при равенстве абсолютных значений uх и Uоп. В тот момент, когда они сравняются, U(–) станет равным U(+) и идеальный компаратор переключится из одного состояния в другое (рис. 2.17, б).

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 Uоп в то время как сигнал uх еще мало от него отличается.

Указанный недостаток устраняется в так называемом регенеративном компараторе (рис. 2.18, а), в котором резисторами R4, R2введена положительная обратная связь. В данном случае напряжение U(+) равно сумме напряжений Uоп и напряжения обратной связи, выделяющегося на резисторе R2.

 

Рис. 2.18

 


Когдаuвых = Uнас(+),напряжение на входе (+) ИМС u+= Uоп + Uоc (назовем его напряжением срабатыванияUcр); когда uвых = Uнас(–),то u+ = Uоп - Uоc (назовем его напряжением отпускания Uотп).

До поступления uх напряжение uвых за счет Uоп равно Uнас(+). Поэтому переключение компаратора может наступить только тогда, когда uх превысит Ucр. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логической 1 до уровня логического 0 (рис. 2.18, б). Теперь uвых = Uнас(–) и переключение компаратора может осуществиться, когда uх будет ниже Uотп. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логического 0 до уровня логической 1. Если амплитуда помехи меньше разности UсрUотп , то ложного срабатывания происходить не будет.

За счет положительной обратной связи компаратор (рис. 2.18, а) обладает гистерезисом: переходы uвых от одного уровня к другому происходят при разных входных напряжениях (Uср и Uотп) На рис. 2.18, в приведена гистерезисная кривая uвых = f(uх). При увеличении сигнала uх переключение uвых происходит при uх = Uср, а при уменьшении сигнала — при uх = Uотп.

Чтобы гистерезисная кривая была симметрична относительно опорного напряжения Uоп, верхний и нижний пороги выходного напряжения должны быть одинаковы по значению. Поэтому в схеме рис. 2.18, а цепь положительной обратной связи подключается к выходу ИМС ОУ до узла, ограничивающего uвых на уровнях U1вых и U0вых т. е. к напряжениям Uнас(+) или Uнас(–), абсолютные значения которых принимаются равными.

Отметим, что положительная обратная связь повышает скорость переключения компаратора. Действительно, если uвых, к примеру, уменьшается, то уменьшается и напряжение на входе (+), что приводит к дополнительному уменьшению uвых. Наряду с этим точность сравнения входных напряжений уменьшается: компаратор переключается при Uср не равно Uon и Uотп не равно Uon.

Специализированные ИМС компараторов. Компараторы на основе ИМС ОУ позволяют производить сравнение сигналов с высокой точностью (десятки микровольт), но обладают относительно низким быстродействием. Последнее объясняется сравнительно большим временем выхода транзисторов схемы из насыщения при больших входных сигналах, свойственных режиму сравнения.

Подпись: Рис. 2.19 Более высоким быстродействием обладают специализированные ИМС компараторов, выпускаемые промышленностью. В структурном отношении они отличаются от ИМС ОУ главным образом наличием узла ограничения выходного напряжения на уровнях U1вых и U0вых.

Естественно, что на специализированных ИМС компараторов может быть реализовано сравнение однополярных и разнополярных напряжений аналогично выполняемому на ИМС ОУ.

Большие функциональные возможности имеет двойной интегральный компаратор (рис. 2.19); он является совокупностью двух одинарных компараторов с общим выходом от элемента ИЛИ.

Рис. 14

Некоторые из ИМС компараторов имеют входы стробирования. Если напряжение на таком входе равно заданному для данного компаратора, то он работает в режиме слежения: уровни выходного напряжения соответствуют знаку разности uх и Uоп. При подаче на стробирующий вход Ucmp = 0 напряжение uвых = 0 вне зависимости от соотношений входных напряжений. Стробирование позволяет считывать показания с выхода компаратора в выбираемые моменты времени.

 

Рассмотрим примеры моделирования компараторов в EWB.

 


Простейший компаратор (рис. 2.20) состоит из ОУ без обратной связи; опорное напряжение Un подается на инвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход поступает суммарный входной сигнал Ui’ от источников Ui, Up (источник Upимитирует напряжение источника помехи). При Ui’> Un на выходе компаратора устанавливается напряжение Uo=-Us (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае (Ui’< Un) получаем Uo=+Us. Если поменять местами входы, это приведет к инверсии выходного сигнала.

 

Подпись: Рис. 2.20

 

 

 

 

 

 

 

Подпись: Рис. 2.21

 

На рис. 2.21 показаны передаточная характеристика и осциллограммы напряжений.

Компаратор должен переключаться из одного состояния в другое с максимально возможной скоростью. В рассматриваемом компараторе ОУ используется с разомкнутой петлей обратной связи, поэтому отпадает необходимость в частотной коррекции, которая приводит к увеличению времени срабатывания. Время срабатывания – это время, необходимое для переключения компаратора из одного состояния в другое (из точки А в точку

 


В передаточной характеристики на рис. 2.21) Максимальная скорость нарастания выходного напряжения показывает, насколько быстро изменяется выходной согнал в процессе переключения.

 

Если напряжение Ui’, поступающее на вход компаратора содержит помеху Up, то, как видно из осциллограмм на рис. 2.21, приводит к ложным срабатываниям, Для их предотвращения применяют цепь положительной обратной связи, за счет которой часть выходного напряжения подается на неинвертирующий вход. Такой компаратор называется компаратором с гистерезисом, его принципиальная схема показана на рис. 2.22, а осциллограммы и передаточная характеристика - на рис. 2.23.

При введении в схему элементов положительной обратной связи (делитель на резисторахR1, R2) изменяется опорное напряжение. При высоком уровне выходного напряжения +Us опорное напряжение Unвозрастает на величину ∆U1=(Us-Un)R1/(R1+R2).

В результате компаратор будет переключаться из состояния с высоким уровнем выходного напряжения при новом значении Un’= Un+∆U1. Как только входное напряжение Ui превысит опорное напряжение Un’ (точка В), выходное напряжение компаратора начнет уменьшаться и через резистор R2 передаваться на неинвертирующий вход, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения. За счет ПОС этот процесс происходит лавинообразно, и компаратор быстро переключается в противоположное состояние (точка С). Поскольку на выходе компаратора действует теперь напряжение Uo-Us, на его вход по цепи ОС передается напряжение ∆U2=-(Us+Un)R1/(R1+R2). В этом случае устанавливается новое опорное напряжение для состояния с низким выходным уровнем (точка D, рис. 2.23): Un’= Un+∆U2.

 

Подпись: Рис. 2.23

 

 

Как видно из осциллограммы на рис. 2.23, после введения ПОС составляющие помех во входном напряжении уже не вызывают ложных срабатываний компаратора. Ширина петли гистерезиса 2∆U изменяется варьированием коэффициента передачи делителя на резисторах R1, R2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная часть.

1. Построили схему простейшего компаратора, вида:


Затем провели моделирование компаратора. При опорном напряжении Un=50мВ

 

 

 

 

 

 


и Un=200мВ

 

Вывод: Из осциллограмм видно, что при подаче различного опорного напряжения, меняется время срабатывания. В первом случае при Un=50мВ, Т2- Т1 = 29,6561, во втором случае при Un=200мВ, Т2- Т1 =27,5365. Осталось постоянным время продолжительности импульса и амплитуда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2. Построили принципиальную схему вида:

 

Затем провели моделирование

 


при Un=0.5;

 

 


Получили петлю гистерезиса

 


при Un=0.6;

 

 

Получили петлю гистерезиса

 


 


при Un=0,7В


Получили петлю гистерезиса

 

Вывод: при подаче на вход различного опорного напряжения, из осциллограмм видно что меняется время импульса время паузы. Осталась постоянным амплитуда. Мы видим, что при введении в схему элементов ПОС составляющие помех во входном напряжении уже не вызывает ложных срабатываний компаратора.

3. Используя полученные данные мы проверим формулу для получения ширины гистерезиса.

U= 3,6 Un * R1/ ( R1 + R2 ), при напряжения насыщения ОУ 5В.

Un = 0,5В U = 0,0178В

Un = 0,6В U = 0,2138В

Un = 0,7В U = 0,02495В

Период Т = 1,0026с

tП = 470,0758mс

tи = 500,0758mс

k = tи /Т к = 0,498

Q = T / tи Q = 2,004

4.Составим функциональную схему двухпорогового устройства, напряжение на входе которого переключается от уровня логического 0 к уровню логической 1,когда входное напряжение выходит за назначенные пороги. Условия задачи рис. 2.24 , где U1 и U2 – соответственно верхний и нижний уровни.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Ключевые слова -


ФНГ ФИМ ФЭА ФЭУ
Copyright 2016. Для правильного отображения сайта рекомендуем обновить Ваш браузер до последней версии!