25 Устройства сравнения аналоговых сигналов. Компараторы.

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство[1]) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше, чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Одно напряжение сравнения двоичного компаратора делит весь диапазон входных напряжений на два поддиапазона. Двоичный логический сигнал (бит) на выходе двоичного компаратора указывает в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения.

Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по логическим уровням и токам с конкретным типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

Для формирования гистерезисной передаточной характеристики, компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.

При подаче эталонного напряжения сравнения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).

При подаче эталонного напряжения сравнения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).

Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).

При математическом моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить многими разными способами, описанными в подразделе «программный компаратор».

26 Импульсные устройства. Генераторы прямоугольных сигналов. Триггер Шмитта.

Импульсные генераторы

П рименяют при исследов, отладке и настройке радиотехн устр-в при испытании имп эл схем, имп хар-к п/п диодов, транзисторов, интегр схем, при снятии перех хар-к осциллографов, различн аппаратуры, испытат вычисл устр-в. Имп генер вырабатыв одиночн или периодич импульсы прямоуг формы различной полярности, ампликтюдзе, длительности, ч-ты следования. Генераторы могут выдавать имп с регулируемыми пар-трами, несвязанными выходами и независимой регулировкой пар-тров. Опорный имп и имп, задержанный на опред время. Наиб широко исп-ют генер прямоуг имп, вырабатывающие импульс обеих полярностей со ступенчатой и плавной регулировкой длительности, ампликтюдзе и ч-ты следования. Ампликтюда генерируемых импульсов меняется от неск мВ до 150 В длительностью от неск пика секунд до нес кед секунд и ч-то следования от сотых долей Гц до сотен МГц.

Работа ИГ.

ЗГ выдает тактовые импульсы, поступающие на схему внешнего и разового запуска. Работая в автоколебательном режиме, ЗГ обеспечивает плавную регулировку частоты импульсов. В режиме внешнего и разового пуска прибора ЗГ отключен от системы внешнего и разового запуска.

Сформированный по f и амплитуде сигнал со схемы внешнего запуска поступает на схему задержки основного импульса и на схему формирования импульсов синхронизации. Схема формирования импульсов синхронизации выдаёт синхроимпульсы одной полярности . Через коммутирующий элемент поступает на вых гнездо генератора. схема задержки основных импульсов выдает импульсы , регулированные временем сдвига, а также обеспечивает режим нулевого временного сдвига основного импульса относительно импульса синхронизации генератора. Импульс со схемы задержки основного импульса, которая выдает стартовый и стоповой импульсы, с регулируемым временем сдвига между ними, поступает на схему выходного формирователя и регулятора амплитуды. Стартовый импульс определяет начало фронта выходного основного импульса, а стоповый – его конец. Со схемы формирователя длительности основных импульсов на схему выходного формирователя также поступает импульс срыва, совпадающий по времени со стоповым импульсом, что обеспечивает быстрое восстановление схемы выходного формирователя. Схема выходного формирователя и регулировки амплитуды обеспечивает формирование прямоугольных импульсов с определенной амплитудой, длительностью и f повторения на согласованной внешней нагрузке, может плавно-ступенчато регул по амплитуде (от Umax до 0.01 Umin)

Через коммутационный элемент поступает или на выход гнезда 1:1 или на делитель, дополнительно ослабляющий амплитуду в 10, 100 раз. Об изменении амплитуды основных импульсов и регулировки ее величины можно судить по показаниям вольтметра или с помощью индикатора .Схема питания обеспечивает все блоки генератора постоянным стабилизированным напряжением.

Триггер Шмитта (не Шмидта) — электронный двухпозиционный релейный (переключающий) элемент, статическая характеристика которого имеет зону неоднозначности (петлю гистерезиса). Триггер Шмитта используется для восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтрах дребезга, в качестве двухпозиционного регулятора в системах автоматического регулирования, в двухпозиционных стабилизаторах-регуляторах напряжения. Этот триггер стоит особняком в семействе триггеров: он имеет один аналоговый вход и цифровой выход.

27 Мультивибраторы.

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

М ультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Приведенная схема мультивибратора на двух транзисторах сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и не очень крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации до единиц МГц. На более высоких частотах оба транзистора запираются и для восстановления работы устройство надо перезапускать, что во многих случаях неприемлемо.

Принцип действия

Схема транзисторного мультивибратора с коллекторно-базовыми ёмкостными связями.

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая благодаря положительной обратной связи между каскадами усиления.

Состояние 1: Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, C1 быстро заряжается базовым током Q2 через R1 и Q2, после чего при полностью заряженном C1 (полярность заряда указана на схеме) через R1 не течет ток, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)* R2, а на коллекторе Q1 — питанию.

Напряжение на коллекторе Q2 невелико (падение на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), начинает медленно разряжаться через открытый Q2 и R3. Пока он не разрядился, напряжение на базе Q1 = (небольшое напряжение на коллекторе Q2) — (большое напряжение на C2) — то есть отрицательное напряжение, наглухо запирающее транзистор.

Состояние 2: то же в зеркальном отражении (Q1 открыт и насыщен, Q2 закрыт).

Переход из состояния в состояние: в состоянии 1 C2 разряжается, отрицательное напряжение на нём уменьшается, а напряжение на базе Q1 — растет. Через довольно длительное время оно достигнет нуля. Разрядившись полностью, С2 начинает заряжаться в обратную сторону, пока напряжение на базе Q1 не достигнет примерно 0,6 В.

Это приведет к началу открытия Q1, появлению коллекторного тока через R1 и Q1 и падению напряжения на коллекторе Q1 (падение на R1). Так как C1 заряжен и быстро разрядиться не может, это приводит к падению напряжения на базе Q2 и началу закрытия Q2.

Закрытие Q2 приводит к снижению коллекторного тока и росту напряжения на коллекторе (уменьшение падения на R4). В сочетании с перезаряженным C2 это ещё более повышает напряжение на базе Q1. Эта положительная обратная связь приводит к насыщению Q1 и полному закрытию Q2.

Такое состояние (состояние 2) поддерживается в течение времени разряда C1 через открытый Q1 и R2.

Таким образом, постоянная времени одного плеча есть С1 * R2, второго — C2 * R3. Это дает длительность импульсов и пауз.

Также эти пары подбираются так, чтобы падение напряжения на резисторе в условиях протекания через него тока базы было бы большим, сравнимым с питанием.

R1 и R4 подбираются на много меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.