Лабораторная работа №7. Исследование аналогового компаратора

Цель работы - изучение работы аналогового компаратора в режиме сравнения и генератора прямоугольных импульсов.

Задание: снять входные и выходные характеристики в двух режимах (режим сравнение и режим генератора).

Методические указания к выполнению работы.

Краткие сведения из теории.

Компаратор является одним из важнейших элементов преобразовательной техники, в частности, аналого-цифровых преобразователей, систем предельного контроля и т.п.

На рис. 7.2, 7.3 показаны передаточная характеристика компаратора и осциллограммы напряжений.

Простейший компаратор (рис. 7.1) состоит из ОУ без обратной связи; опорное напряжение Un подается на неинвертирующий вход ОУ, а на инвертирующий вход поступает суммарный входной сигнал U_i от источников U_i, Up (источник Up имитирует напряжение источника помехи, о чем более подробно сказано ниже). При U_i >Un на выходе компаратора устанавливается напряжение Uo= -Us (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае (U_i< Un) получаем Uo= +Us. Если поменять местами входы, это приведет к инверсии выходного сигнала. 

Рис. 7.1 Компаратор напряжения

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. 7.2). Максимальная скорость нарастания выходного напряжения показывает, насколько быстро изменяется выходной сигнал в процессе переключения.

Рис. 7.2. Передаточная характеристика компоратора

Если напряжение Ui поступающее на вход компаратора, содержит помеху Up, то, как видно из осциллограмм на рис. 7.3, это 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. 7.4, а передаточная характеристика и осциллограммы сигналов — на рис. 7.5 и 7.6.

При введении в схему элементов положительной обратной связи (делитель на резисторах Rl, R2) изменяется опорное напряжение. При высоком уровне выходного напряжения +Us опорное напряжение Un возрастает на величину AU,=(Us-Un)Rl/(Rl+R2).

Рис. 7.3. Осциллограммы входного (А) и выходного (В) напряжения компаратора

Рис. 7.4. Компаратор с гистерезисом

В результате компаратор будет переключаться из состояния с высоким уровнем выходного напряжения при новом значении Un'=Un+AU,. Как только входное напряжение Ui превысит опорное напряжение Un' (точка В на рис. 7.5), выходное напряжение компаратора начнет уменьшаться и через резистор R2 передаваться на неинвертирующий вход, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения.

Рис. 7.5. Передаточная характеристика компаратора с гистерезисом

За счет положительной обратной связи 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 обратной связи передается напряжение AU2=-(Us+Un)Rl/(Rl+R2). В этом случае устанавливается новое опорное напряжение для состояния с низким выходным уровнем (точка D на рис. 7.5): Un'=Un+AU2.

Рис. 7.6. Осциллограммы сигналов компаратора с гистерезисом

Как видно из осциллограммы на рис. 7.6, после введения положительной обратной связи составляющие помех во входном напряжении уже не вызывают ложных срабатываний компаратора. Ширина петли гистерезиса 2AU изменяется варьированием коэффициента передачи делителя на резисторах Rl, R2.

Порядок выполнения рабочего задания

1. Соберите схему, изображенную на рис. 7.7.

Снять характеристики в режиме сравнения:

а) Нажатием клавиши «Пробел», перевести с помощью контакта реле Space схему компаратора в режим сравнения (рис. 7.8).

б) Изменяя постоянного напряжение U_вх от источника, подаваемого на инвертирующий вход ОУ, от 1 до 3,5 В с шагом 0,5В, снять напряжение выхода U_вых.

с) Результаты занести в таблицу и построить переходную характеристику компаратора.

Рис. 7.7 – Схема лабораторной установки

Рис. 7.8 – Режим сравнения при U_вх =3,4 В

2. Снять характеристики в режиме генератора:

а) Нажатием клавиши «Пробел», перевести с помощью контакта реле Space схему компаратора в режим генератора (рис.7.7).

б) Изменяя синусоидальное напряжение U_вх от генератора, подаваемого на инвертирующий вход ОУ, от 3,0 до 4,0 В с шагом 0,5В, снять 3 осциллограммы напряжения выхода U_вых (рис.3).

с) Изменяя частоту синусоидального напряжения с амплитудой U_вх=4В от генератора, подаваемого на инвертирующий вход ОУ, от 500 до 1000 Гц с шагом 250, снять 3 осциллограммы напряжения выхода U_вых.

Рис.7.9 – Временная диаграмма компаратора в режиме генератора

3. Проведите моделирование компаратора на рис. 7.1 при опорном напряжении Un=50 и 200 мВ.

4. Для компаратора на рис. 7.4 проведите моделирование при Un=0,5, 0,6 и 0,7 В.

Контрольные вопросы:

1. Принцип работы компаратора в режиме сравнения?

2. Принцип работы компаратора в режиме генератора прямоугольных импульсов?

3. Как изменить скважность прямоугольных импульсов?

4. Что такое компаратор, в каких устройствах его применяют?

5. Какие преимущества имеет компаратор с гистерезисом?

Лабораторная работа №8. Исследование схем аналоговой обработки сигналов на базе операционного усилителя

Цель работы - ознакомление с основными параметрами, передаточными характеристиками линейных аналоговых схем на базе интегральных операционных усилителей с помощью программной среды Electronics Workbench.

Задание:

1. Снять временные характеристики U_вх(t), U_вых(t) сумматора при К = 1; 10; 100.

2. Снять временные характеристики интегратора на ОУ при U_вх = 1В и следующих номиналах элементов схемы:

а) R_вх = 1 МОм, С = 2 мкФ

б) R_вх = 1 МОм, С = 4 мкФ

3. Снять амплитудно-частотную характеристику интегратора.

4. Снять временные характеристики дифференциатора на ОУ.

5. Снять амплитудно-частотную характеристику дифференциатора с R₁ и без R₁.

Расчетное задание

6. Определить постоянную интегрирования интегратора.

7. Рассчитать относительную погрешность интегратора при С = 0,01 мкФ,  = 1,5 10^-4, R = 100 кОм и f = 10 Гц.

Методические указания к выполнению работы

Собрать схему инвертирующего сумматора, приведенную на рис. 8.1. Номиналы сопротивлений выбирайте в соответствии с желаемым коэффициентом усиления.

Рис. 8.1 – Схема сумматора на ОУ

Снять временные характеристики инвертирующего сумматора для различных коэффициентов усиления. Передаточную функцию инвертирующего сумматора можно записать в виде: U_вых = - .

– коэффициент усиления по каждому входу.

Собрать схему интегратора, представленную на рис. 8.2. На вход интегратора подаете сигнал от функционального генератора с амплитудой 2В, частота 0,1 Гц. Снять временные и амплитудно-частотные характеристики интегратора при различных номиналах RC. Амплитудно-частотная характеристика снимается с помощью плоттера.

Рис. 8.2 – Схема интегратора на ОУ

Собрать схему дифференциатора, представленную на рис. 8.3 (а). На вход дифференциатора подать пилообразный сигнал с амплитудой 1В и частотой 100Гц, с помощью осциллографа и плоттера снять временные и амплитудно-частотные характеристики.

а)

б)

б)

Рис. 8.3 – Схемы дифференциатора на ОУ

Методическое указание к расчетному заданию

Постоянную интегрирования  можно определить из следующего выражения (при U_вх = const):

где t – время интегрирования

Относительную погрешность реального интегратора можно определить по формуле:

,

где – коэффициент передачи идеального интегратора,

К_р – коэффициент передачи реального интегратора,

_ос = R_осуС – постоянная времени цепи утечки,

1/К – учитывает ошибку из-за ограниченного К операционного усилителя.

Сопротивление утечки определяется:

, где  - коэффициент характеризующий сопротивление утечки.

Контрольные вопросы:

1. Где применяются аналоговые схемы обработки сигналов, какие типы линейных АС вы знаете?

2. Каким требованиям должен удовлетворять ОУ используемый в аналоговых схемах?

3. Что такое интегратор и дифференциатор?

4. Начертите схему сумматора на 3 входа для реализации функции U_вых = - (U₁ + 4U₂ + 2U₃).

5. Как экспериментально определить постоянную интегрирования ?

6. Как определить погрешности интегратора?

7. Поясните работу вычитающего сумматора.

8. Чем ограничивается линейный диапазон передаточной характеристики АС?

9. Чем определяется погрешность операций суммирования?

10. Выведите уравнения для передаточной функции интегратора, дифференциатора.