11 Лабораторная работа № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАРАТОРА И ТРИГГЕРА ШМИТТА

НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

11.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы и исследование характеристик компаратора и триггера Шмитта на основе операционных усилителей (ОУ).

11.2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

11.2.1 Общие сведения

В схемах автоматических регуляторов, устройств управления, функциональных преобразователей часто выполняется операция сравнения двух сигналов по амплитуде. Устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений, называется компаратором.Параметры схемы сравнения определяют разрешающую способность устройства и стабильность его работы. Для сравнения двух сигналов по амплитуде необходимо использование активного элемента с нелинейной характеристикой (диод, транзистор, стабилитрон и т.д.). Некоторые схемы пороговых элементов приведены на рисунке 11.1.

,

а б в г

Рисунок 11.1 – Схемы компараторов

В схеме (рисунок 11.1а) сравнение входного напряжения производится с напряжением на R₂

Изменение U₀производится переменным резистором R₃. При U_вх < U₀ VT1 закрыт и на его выходе напряжение равно U_n; при U_вх > U₀ VT1 открывается и выходное напряжение равно U₀. В схемах на рисунке 11.1б-11.1г опорное напряжение не регулируется и равно пороговому параметру нелинейного элемента. Однако, простейшие схемы обладают существенными недостатками: плохая «развязка» входных и выходных цепей; нестабильность порога срабатывания как от элемента к элементу (что требует введения в схему подстроечных элементов), так и от температуры. В связи с этим, для улучшения характеристик в качестве активного элемента используют ОУ. Схемы на ОУ позволяют значительно улучшить параметры пороговых элементов.

При разработке регуляторов очень часто требуется создать зону нечувствительности по регулируемому параметру. Для решения этой задачи необходим компаратор у которого переход из одного состояния в другое происходит при различных входных напряжениях, т.е. передаточная характеристика имеет вид гистерезисной кривой. Такой характеристикой обладает триггер Шмитта на ОУ.

Рассмотрим подробнее работу этих схем.

11.2.2 Компаратор на оу

Из анализа передаточной характеристики ОУ (рисунок 11.2а) следует, что он может работать в линейном режиме (участок ВОС) и в нелинейном режиме (участки АВ и СD). При работе на участках АВ и ВС транзисторы выходных каскадов ОУ находятся в режиме насыщения, и выходное напряжение стремится к  U_{вых max}. При работе ОУ без отрицательной обратной связи (ООС), вследствие большой величины коэффициента усиления ОУ (К  ), линейный участок очень мал, так как

Таким образом, в усилителе с дифференциальным входом (рисунок 11.2б) и К_у   можно считать, что при

U_вх2 - U_вх1 > 0, (11.1)

выходное напряжение будет равно + U_{вых max}, а при

U_вх2 - U_вх1 < 0, (11.2)

равно – U_{вых max}. Из (1) и (2) следует, что дифференциальный усилитель с К_у   может быть использован для сравнения двух напряжений. Если одно из входных напряжений принять за опорное, то на выходе компаратора сигнал появится при достижении напряжения заданного уровня на втором входе. Такие схемы используются в качестве пороговых элементов для получения сигналов управления в устройствах автоматики, в схемах формирователей импульсов и преобразователей напряжения в длительность импульсов.

а б

Рисунок 11.2 – Компаратор на ОУ