14.7 Компараторы и триггеры Шмитта

Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений.

По существу, компаратор – это реле, их разделяют на аналоговые и двоичные. Импульсные устройства чаще всего реализуются на базе операционных усилителей. Компаратор изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. Схема простейшего компаратора для сравнения напряжений одного знака приведена ниже.

Рисунок 14.48 - Схема компаратора для сравнения напряжений одного знака (а),

его статическая характеристика (б) и условное обозначение (в)

Для сравнения входных напряжений разных знаков применяют следующие схему:

Рисунок 14.49 - Схема компаратора для сравнения напряжений разных знаков

Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки , при этом Благодаря включению диодов потенциал точки не превышает ±0,6 В (прямое напряжение на открытом диоде) при достаточно больших U₁ и U₂, чем защищаются входные цепи операционного усилителя от перегрузки.

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта (пороговым элементом).

Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмитта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью, или на компараторе с положительной обратной связью.

Рисунок 14.50 - Схема (а), статическая характеристика (б) и условное

обозначение (в) инвертирующего триггера Шмитта

Рисунок 14.51 - Схема (а), статическая характеристика (б) и условное

обозначение (в) не инвертирующего триггера Шмитта

Одна из основных областей применения триггера Шмитта – это формирование напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы.

Цифровой компаратор предназначен для сравнения двух двоичных чисел. Два числа А и В равны, если их одноименные разряды содержат одинаковые цифры: , - т.е. функция, характеризующая соотношение чисел, является конъюнкцией функций, характеризующих соотношение цифр в их одноименных разрядах. Когда цифры в одноименных разрядах чисел А и В равны, то на выходах всех компараторов, сравнивающих разряды чисел А и В будут логические единицы, их конъюнкция будет равна 1. Если хотя бы в одной паре разрядов находятся разные цифры, то на выходе соответствующего компаратора будет логический нуль и конъюнкция будет равна 0, что указывает на неравенство чисел А и В.

14.8 Мультивибраторы и одновибраторы

Для получения прямоугольных импульсов применяют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами). Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении электронных усилителей с положительной обратной связью или других электронных приборов, например, туннельных диодов и тиристоров.

В отличие от триггеров, обладающих двумя состояниями устойчивого равновесия, релаксаторы имеют не более одного устойчивого состояния равновесия. Кроме того, у них есть состояние квазиравновесия, характеризуемые медленным изменениями токов и напряжений, которые приводят к критическому состоянию, создающему условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое.

Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов:

- автоколебаний; режим ожидания; синхронизации.

В практике применяют устройства, реализующие два первых режима. В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, а есть два состояния квазиравновесия. Из одного состояния в другое релаксатор переходит без внешних воздействий, генерируя импульсы, характеристики которых зависят от характеристик релаксатора.

В режиме ожидания релаксатор имеет одно состояние устойчивого равновесия и одно состояние квазиравновесия, то есть, при воздействии запускающего импульса релаксатор генерирует один импульс, а обратный переход происходит самопроизвольно по истечении некоторого времени. Такой релаксатор называется одновибраторным.

В режиме синхронизации частотные повторения импульсов релаксатора определяются частотой внешнего синхронизирующего напряжения.

Рисунок 14.52 - Основная схема автоколебательного мультивибратора

Мультивибратор, собранный по основной схеме, представляет собой двухкаскадный

усилитель с резистивной связью. Положительная обратная связь организована в схеме соединением выхода ключа на транзисторе VT2 со входом ключа на транзисторе VT1. Цепь положительной обратной связи замыкается и нормально функционирует в том случае, когда оба транзистора открыты и работают в усилительном режиме.

Схема мультивибратора на операционном усилителе имеет вид:

Рисунок 14.53 - Схема (а) и динамические диаграммы работы (б)

мультивибратора на операционном усилителе

Этот мультивибратор выполнен на основе инвертирующего триггера Шмитта, в котором отрицательная обратная связь осуществляется через фильтр в виде RC – цепи:

Напряжение на конденсаторе С U_C = U_вх. возрастает, так как конденсатор начинает перезаряжаться через R и стремится к . Когда U_C достигает уровня U_выкл. триггера Шмитта, то напряжение U_вых. скачком изменяется до значения . Так как , то конденсатор С начинает перезаряжаться от и обратное переключение происходит при U_C = U_вкл. Затем процесс повторяется.

Мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы. Одновибраторы используют для расширения импульсов и для задержки сигнала на заданное время. Входной сигнал (запускающий импульс) может быть задержан на время, равное длительности импульса одновибратора, если к его входу подключить динамический триггер, которое реагирует на перепад напряжения, соответствующий окончанию входного импульса.

Рисунок 14.54 - Схема (а) и динамические диаграммы работы (б)

одновибратора на операционном усилителе

На этом принципе реализуют реле времени – это устройство, предназначенное для выдачи сигнала спустя заданное время после входной команды. Для задания точных регулируемых интервалов времени применяют специальные устройства – таймеры.

14.9 Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню

ЛИН характеризуется следующими основными величинами: периодом Т, длительностью рабочего хода Т_р, длительностью обратного хода Т_обр., амплитудой U_m, коэффициентом нелинейности ε.

Рисунок 14.55 - Характеристика импульсов линейно изменяющегося

напряжения

Обычно ЛИН получают при зарядке и разрядке конденсатора. Как известно,

для линейного изменения напряжения Отсюда получим .

Условием линейности напряжения будет соотношение вида

Для получения периодической последовательности импульсов ЛИН необходимо периодически заряжать конденсатор.

Рисунок 14.56 - Схема (а) и динамические диаграммы работы (б)

простейшего ГЛИН

На транзисторе VT собран ключ, который управляется прямоугольными импульсами отрицательной полярности: при закрытом транзисторе (ключ разомкнут) конденсатор заряжается от источника +Е_к. По окончании импульса ключ закрывается и конденсатор разряжается через промежуток коллектор-эмиттер.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На рисунке 14.57 операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью через интегрирующую RC – цепь. Если тиристор закрыт, то конденсатор заряжается постоянным током. Когда выходное напряжение превысит U_оп., тиристор откроется и конденсатор разрядится через него. Чтобы операционный усилитель не входил в состояние насыщения, необходимо выполнить условие U_оп. < U_вых.max.

Схема рисунка 14.57 может применяться в качестве преобразователя «напряжение – частота». На основе этой же схемы можно построить таймер с регулируемым в широких пределах временем выдержки.

Рисунок 14.57 - Схема (а) и динамическая диаграмма работы (б)

ГЛИН на операционном усилителе

Принципиальная схема таймера приведена ниже:

Рисунок 14.58 - Схема (а) и динамическая диаграмма работы (б)

таймера на ГЛИН

После размыкания ключа «К» на входе первого ОУ, охваченного интегрирующей RC – цепью, появляется ЛИН U₁ стремящееся к U_1max. При U₁ = U_оп. срабатывает компаратор, выполненный на втором ОУ, на его выходе устанавливается напряжение U₂ = U_2min. Диод VD пропускает в нагрузку ток только при U₂ = U_2min , начиная с момента времени t_в.