Скачать:  analogovyy-komparator.zip [325,79 Kb] (cкачиваний: 31)

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 u_вых определяется большим из напряжений U_оп и u_х:

u_вых = K(U_оп – u_х),(2.17)

а 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,(рис. 2.15, б) 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 напряжениеми_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

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 u_вых > 0 и открыт диод VD1) и ниже – 0,7 В (когда u_вых < 0 и открыт диод VD2).

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 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. 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 U_оп в то время как сигнал u_х 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 U_оп и напряжения обратной связи, выделяющегося на резисторе R2.

Когдаu’_вых = U_нас⁽⁺⁾,напряжение на входе (+) ИМС u⁺= U_оп + U_оc (назовем его напряжением срабатыванияU_cр); когда u’_вых = U_нас^(–),то u⁺ = U_оп - U_оc (назовем его 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. 2.18, б). 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. 2.18, а) обладает гистерезисом: переходы u_вых от одного уровня к другому происходят при разных входных напряжениях (U_ср и U_отп) На рис. 2.18, в 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. 2.18, а 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.

Отметим, что положительная обратная связь повышает скорость переключения компаратора. Действительно, 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 не равно U_on и U_отп не равно U_on.

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.

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 U¹_вых и U⁰_вых.

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.

Рассмотрим примеры моделирования компараторов в EWB.

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

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.

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 U_n=50мВ

и U_n=200мВ

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

Затем провели моделирование

при U_n=0.6;

Получили петлю гистерезиса

при U_n=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 U_n * R₁/ ( R₁ + R₂ ), при напряжения насыщения ОУ 5В.

U_n = 0,5В U = 0,0178В

U_n = 0,6В U = 0,2138В

U_n = 0,7В U = 0,02495В

Период Т = 1,0026с

t_П = 470,0758mс

t_и = 500,0758mс

k = t_и /Т к = 0,498

Q = T / t_и 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.