Лекция №32-33 компараторы и таймеры

Компараторы являются специализированными операционными усилителями(ОУ) с дифференциальным входом и с одним или же парафазным цифровым выходом.

Компаратор это устройство сравнения и используются в АВМ, АЦВМ, устройствах автоматики, схемах обработки аналоговой информации и др., где возникает необходимость:

• сравнения напряжений;

• преобразования их в цифровую форму.

Для этой цели используются элементы, вырабатывающие при равенстве двух напряжений цифровой сигнал. Этот сигнал может быть использован в системах управления аналоговой ЭВМ для организации:

• операции условного перехода;

• изменения коэффициентов передачи отдельных цепей, режимов работы операционных блоков;

• выработки сигналов прерывания вычислительного процесса в аналого-цифровой ЭВМ.

Таким образом, компаратор – это элемент, выполняющий логическую операцию сравнения аналоговых величин, представленных электрическими напряжениями.

Компаратор имеет два равноценных входа, на которые подаются произвольные напряжения постоянного или переменного тока U_вх1 и U_вх2. Выходное напряжение U_вых принимает одно или два значения(U⁰ или U¹) в зависимости от входных напряжений:

.

Характеристика "выход-вход" идеального компаратора показана на рисунке ниже.

Входной каскад компаратора построен аналогично ОУ, работает в линейном режиме. На выходе формируется логическая "1", и если входной сигнал превышает пороговое значение, в противном случае – "0".

Основные параметры компаратора:

1. Чувствительность (разрешающая способность) m_бн – уровень входного аналогового сигнала; ее может обнаружить и формировать цифровой сигнал на выходе.

2. Время задержки переключения t_зад. – интервал времени, в течение которого при наличии U_вх формируется цифровой сигнал на выходе компаратора.

3. Выходные уровни напряжения U^0вых, U¹_вых – напряжения, соответствующие логическому "0" или "1" на выходе компаратора.

4. Напряжение смещения – дрейф нуля – погрешность начального смещения, обусловленная отклонением порогового уровня. (U_см=3...5 мВ).

Рис. Компаратор

Таким образом, компаратор является аналого-цифровым элементом, имеющим аналоговые входы и цифровой выход. Уровни выходного напряжения U⁰ и U¹ можно рассматривать как нулевой и единичный уровень выходной логической переменной S:

.

При этом компаратор по своим функциям соответствует одноразрядному преобразователю "напряжение – код".

Для удобства непосредственной связи компараторов с подключаемыми к ним ключами и цифровыми элементами значения U⁰ и U¹, как правило, соответствуют аналогичным уровням напряжений ТТЛ – или ЭСЛ-схем.

Компараторы могут быть использованы в качестве:

• преобразователя напряжений во временной интервал;

• устройства для статистической обработки информации;

• устройства для построения схем одновибраторов, мультивибраторов, генераторов, а в аналоговых ЭВМ – для переключений в схеме моделирования.

Рассмотрим из вариантов использования компараторов для построения гистограмм случайных процессов.

Временная диаграмма и схема фиксации временных интервалов приведены на рисунке ниже.

Оценка вероятности нахождения реализации случайного процесса х(t) между уровнями а и в проводится в соответствии с выражением:

,

где t_i – интервалы времен пребывания (t) в интервале [a, b]; Т – время наблюдения процесса.

Рис. Временная диаграмма и схема фиксации временных интервалов

Для фиксации временных интервалов t_i, можно использовать схему на рисунке (б). Сигнал "1" появляется на входе компаратора 1 при U_x < Uв и на выходе компаратора 2 при U_x > Uа. Единичный уровень на выходе схемы N соответствует показанию U_x в интервал [Uа, Uв] и может быть использован для вычисления оценки вероятности.

В настоящее время промышленностью радиоэлектронных приборов выпускаются компараторы на ИС, например, S10CA2, S12CA1, LM106, LM111 и т. д. Компараторы широко применяются в аналого-цифровых преобразователях(АЦП).