диск электроника / el_rea / Разделы / ОГР

КОМПАРАТОРЫ, СРАВНИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА, ОГРАНИЧИТЕЛИ

Компараторы служат для определения знака разности двух входных сигналов. К входу компаратора прикладывается аналоговый сигнал, а на выходе формируется сигнал дискретного вида, который может быть подан на логический элемент. Таким образом, компаратор со стороны входа представляет собой аналоговое устройство, а со стороны выхода он подобен логическому узлу. Компараторы с двумя противофазными выходными сигналами имеют большие возможности согласования с логическими элементами. В связи с большой распространенностью элементов с ТТЛ и ЭСЛ структура выходных сигналов многих микросхемных компараторов согласована с ними.

Особенностью микросхемных компараторов является наличие стробирующего входа, на который подают логический сигнал. Использование стробирования позволяет проводить сравнение в определенном, временном интервале. Возможны два вида стробирования: стробирующий сигнал устраняет влияние входного сигнала на состояние сигнала на выходе; стробирующий сигнал устанавливает выходной узел компаратора в одно из состояний, причем в дальнейшем выходное напряжение не зависит от изменений входного сигнала, т. е. в этих компараторах на выходе предусмотрен триггер.

Компараторы выполняют не только функции сравнения, но и хранения в цифровой форме результатов сравнения. При открывании входа компараторов его чувствительность резко возрастает за счет введения положительной обратной связи. Задержка между изменением полярности на входе и моментом записи сигнала в триггер значительно меньше задержки между изменением сигнала на входе и изменением состояния на выходе компаратора.

Пороговые ограничители сигналов

Импульсный формирователь фронта и спада импульсов (рис. 11.1). Он предназначен для формирования коротких импульсов в момент положительного или отрицательного перепада входного сигнала. На входе включены две дифференцирующие диодные цепи, электрически связанные по постоянному току. Операционный усилитель служит формирующей ступенью. С ОУ устройство работает на частоте до 100 кГц; при использовании специализированных компараторов длительность выходных импульсов может быть менее 1 мкс.

На рис. 11.1,6 показаны формы входных и выходных сигналов формирователя.

Односторонний ограничитель (рис. 11.2). Ограничитель с гистерезисной формой переключательной

характеристики построен на ОУ, который может быть заменен компаратором. Ширина петли гистерезиса определяется выражением

Uг=Uвх-U0=(Uст-U0)R1/(R1+R2) где Uст — напряжение стабилизации стабилитрона VD3.

Ограничитель на полевых транзисторах (рис. 11.3). Он построен на компараторе DA1. Входной повторитель обеспечивает входное сопротивление более 10 МОм. Режим по постоянному току полевых транзисторов выбран таким, что протекающией через них ток увеличивается незначительно при изменении входного напряжения в пределах ±5 В. Изменение выходного тока повторителя обеспечивает транзистор VT3. Ограничение входного сигнала по верхнему уровню соответствует напряжению U1, а по нижнему — U2.

Чувствительность ограничителя 5 мВ, скорость срабатывания 200 нс, коэффициент усиления 700, выходное сопротивление 50 Ом.

Управляемый ограничитель (рис. 11.4, а). Ограничитель состоит из двух одинаковых узлов. Узел с ОУ DA1 преобразует положительную полуволну входного сигнала, а с ОУ DA2 — отрицательную. Ограничение входного сигнала происходит в, результате изменения проводимости полевого транзистора в каждом узле. Транзисторами управляет выходной сигнал ОУ. Выходной сигнал формируется, когда входной сигнал превышает порог, устанавливаемый резисторами R5 или R21. Когда полевой транзистор открывается, начинает действовать положительная ОС через переменные резисторы R10 или R13. В зависимости от глубины этой связи можно получить различный угол наклона вершин импульса (рис. 11.4, 6).

Уровень входного сигнала ограничителя до 6 В; порог ограничения можно менять в пределах от 0 до ±5 В.

Двухфункциональный компаратор (рис. 11.5, а). Он построен на ОУ DA и может ограничивать сигнал как по амплитуде, так и по длительности. Резистором R3 устанавливают порог срабатывания, a R7 — уровень возвращения компаратора в исходное состояние. Когда входной сигнал имеет относительно большую частоту, то напряжение на конденсаторе С1 не успевает измениться. С увеличением длительности прямоугольных импульсов напряжение на конденсаторе меняется. Поэтому меняется (увеличивается) напряжение возврата компаратора в исходное состояние.

Эпюры выходных и входных сигналов компаратора показаны на рис. 11.5,6.

Диодный ограничитель (рис. 11.6, а). На входы ОУ ограничителя подают сигналы с различных делителей, у которых равный коэффициент деления (a и b ). Уровень U1 определяется условием: U1=UвхR4/(R3+R4)-Uд, где Uд - прямое падение напряжения на каждом диоде; для уровня U2=UвхR2/(R1+R2)+Uд. Если положить R1=R3=R, a R4=a R и R2=b R, то U1=Uвх/(1+a )—Uд и U2=Uвх/1+b +Uд.

Эпюра работы ограничителя показана на рис. 11.6, 6. Двухуровневый диодный ограничитель (рис. 11.7, а). В этом устройстве верхний и нижний пороги ограничения обеспечивает один стабилитрон. Ширина гистерезисной характеристики компаратора может изменяться независимо от порога срабатывания простой регулировкой соотношения сопротивлений двух резисторов. Когда входное напряжение меньше или равно напряжению стабилизации стабилитрона VD1 плюс падение напряжения на двух диодах VD2 и VD3 (Uвх£ Uст+1,2 В), напряжение на инвертирующем входе ОУ будет меньше входного напряжения на напряжение на диоде VD2: Uвх.инв=Uвх—0,6 В. В противоположном случае Uвх.инв=Uст+0,6 В. При определении напряжения на инвертирующем входе следует иметь в виду, что стабилитрон выключен, Uвх меньше или равно Uст. Поэтому Uвх.неинв=Uвх. Если же Uвх больше Uст, то стабилитрон открывается:

Uвх.неинв=(UoR3+UвxR5)/(R3+R5).

Компаратор переключается, когда Uвх.инв больше Uвх.неинв и Uвx=Ucт+0,6(1+R5/R3). Компаратор возвращается в исходное состояние, когда Uвх.неинв=Ucт+0,6(1+R3/R5).

Ширину петли гистерезиса характеристики компаратора (рис. 11.7,6) вычисляют по формуле D U=0,6(R32+R52)/(R3R5). Если Ubx становится больше, чем Ucт+1,2, то резистор R1 ограничивает ток через диод VD2. Однако этот резистор изменяет порог включения ограничителя, при котором фактически включается компаратор Uвх=[UcтR4(R1+R4)+0,6R4(R3+R5)/[R4(R3+R5)—R5(R1+R4]. Чтобы уменьшить сдвиг порога включения, необходимо, чтобы отношение R1/R4 было минимальным. Описанный ограничитель может работать только при фиксированном напряжении ограничения входного сигнала, которое связано с порогом проводимости стабилитрона VD1.

Для устройств с регулируемым напряжением ограничения целесообразно включить дополнительный транзистор и в цепь базы переменный резистор R4, который определяет порог (рис. 11.7, в).

Компаратор на ОУ (рис. 11.8, а). Подачей напряжения Uynp устанавливают порог компаратора U1 (рис. 11.8, 6). Когда на входе большое отрицательное напряжение, то это напряжение действует только на инвертирующий вход ОУ (благодаря диоду VD1).

При уменьшении отрицательного входного напряжения до значения

(где Uд=0,6 В падение напряжения на диоде VD1) на выходе ОУ будет положительное напряжение. Когда же входное напряжение близко к нулю, то на инвертирующем входе ОУ действует положительное напряжение. При дальнейшем увеличении на входе положительного напряжения ОУ переключится; U2=Uвх.инвR2/Р3. В этом случае диод не шунтирует вход ОУ и сигнал полностью поступает на неинвертирующий вход ОУ. Для получения регулируемых порогов срабатывания компаратора можно использовать устройство на рис. 11.8, в. Переменным резистором R3 устанавливают пороговое напряжение Uo, при котором переключается ОУ. Ширину зоны чувствительности компаратора устанавливают переменным резистором R2: U1=Uo—UдX(1+R2/R3). Здесь необходимо соблюдать условие R1”R3.

Двухуровневые ограничители

Двухуровневый ограничитель на компараторе (рис. 11.9, а). Он имеет передаточную характеристику гистерезисного типа (рис. 11.9,6). Пороги ограничения можно регулировать от +5 до —5 В. Напряжение входного сигнала может меняться от —5 до +5 В. Время задержки появления выходного сигнала на выходе 2 равно 120 нс. Температурный дрейф порога срабатывания компаратора равен 30 мкВ/°С.

Амплитудный ограничитель (рис. 11.10). Он построен ва микросхеме DA1. В устройстве могут быть использованы симметричный и несимметричный выходы. При симметричном выходе (выводы 7, 9) в выходном сигнале отсутствует напряжение постоянной составляющей.

Используя внешнее напряжение смещения, подаваемое на вывод 13, можно изменять уровень ограничения входного сигнала.

Частотная полоса входного сигнала 0...5 МГц; входное напряжение ограничения 100 мВ; коэффициент усиления напряжения в линейном режиме —30...60; максимальное выходное напряжение 2,5 В; входное сопротивление 5 кОм.

Ограничитель на детекторах (рис. 11.11, а). Передаточная характеристика двухуровневого ограничителя, состоящего из двух детекторных ступеней, показана на рис. 11.11, 6 (если принять R1 =R8=R9=R12=2R. R2=R3=R4=R5=R6=R7=R, R10=R11=4R. Когда входной сигнал находится в пределах U1£ Uвx£ U2, то Ubыx=Ubx. При Uвx³ U2 получим Uвых=U2, а при Uвх£ U1 Uвых=U1.

Двустороннее пороговое устройство (рис. 11,12, а). Оно построено на двух ОУ DA1, DA2. Каждый из них выполняет функции двухполярного выпрямителя. Если положить R1=R2=R3=R10=R11=2R и R4=R5=R6=R7=R8=R, то передаточная характеристика будет иметь вид, показанный на рис. 11.12, 6.

Когда U2£ Uвх£ U1, то Uвых=0. При Uвх³ U1 получим Uвых=Uвх—U1, при при Uвх£ U2 Uвых= Uвх— U2.

Управляемый ограничитель (рис. 11.13, а). Он построен на ОУ, который усиливает входной сигнал в 10 раз. На выходе ОУ включены два диода, которые являются пороговыми элементами.

Напряжение закрывания диодов устанавливают резисторами R4 и R5. Для уменьшения выходного сопротивления порогового ограничителя включены транзисторы VT1, VT2. Порог ограничения можно регулировать в пределах от 0 до 7,5 В. Для установки уровня служат резисторы R11, R12.

На рис. 11.13,6 показаны совмещенные входной и выходной сигналы.

Нелинейный преобразователь (рис. 11.14, а). Передаточная характеристика преобразователя показана на рис. 11.14, 6. Кривая АВ состоит из двух прямых: наклон прямой АВ определяется отношением R4R8/(R1R6), прямой БB — R3R8/(R1R5). В точке С при Uвх=0 напряжение на выходе равно Uвых=UoR4XR8/(R6-R2). При входном напряжении Uвх=UoR1/R2 напряжение на выходе Uвых=UoR8/R7.

Формирователь импульсов синхронизации (рис. 11.15, а). Компаратор состоит из двух ОУ с разными порогами переключения (DA1 при —1 В, a DA2 при +1 В). При нулевом входном сигнале на выходе обоих ОУ будет положительное напряжение, что вызывает появление напряжения низкого уровня на выходе элемента DD1.1. Когда входной сигнал положительный (1 В), переключается ОУ DA2 и на его выходе устанавливается отрицательное напряжение, что приводит к появлению высокого логического уровня на выходе (рис. 11.15, 6). Если же входной сигнал отрицателен менее —1 В, то переключается ОУ DA1, что также приводит к напряжению высокого уровня на выходе. В том случае, когда входной сигнал, изменяясь от положительного к отрицательному или наоборот, переходит через нуль, элемент DD1.1 формирует короткие импульсы низкого уровня.

Устройство двоичного сравнения (рис. 11.16). Устройство сравнивает два двоичных числа А с В. Четырехразрядный код числа В по управляющему импульсу записывается в триггеры микросхемы DD1. Для записи кода ва управляющий вход подают напряжение высокого уровня, а для хранения числа — низкого. Число В в инверсном коде подают в сумматор DD2. Если число А отличается от числа В, то на выходах 1 и 2 появляются сигналы, которые показывают, какое число больше. В табл. 11.1. приведены числа, показывающие принцип взаимодействия сигналов.

Селектор импульсов (рис. 11.17, а). Селектор запускается входным формирователем DD1.1. Входной импульс закрывает транзистор VT1.

По фронту импульса начинается процесс зарядки конденсатора С1 от генератора тока на транзисторе VT2, ток которого регулируется резистором R2. Напряжение с конденсатора через повторитель подается на неинвертирующий вход компаратора DA1. На неинвертирующем входе компаратора устанавливают пороговый уровень напряжения его переключения. После переключения на выходе компаратора появляется положительный импульс, который запускает ждущий мультивибратор DD2. В результате работы мультивибратора и логического устройства на элементах DD1.2, DD1.3 на выходе селектор формирует сигнал, длительность которого пропорциональна разности длительностей, действующих на входе импульсов. Если длительность входного импульса мала, то конденсатор не успеет зарядиться до порога переключения компаратора. В результате на выходе селектора сигнала не будет.

Когда входной сигнал имеет большую длительность, то спад выходного импульса компаратора будет следовать после спада импульса ждущего мультивибратора. В результате на выходе сигнала также не будет. Только в том случае, если спад входного сигнала будет содержать спад импульса мультивибратора, на выходе селектора формируется импульсный сигнал, т. е. селектор выделяет сигналы в заданном интервале длительности. С указанными на схеме номиналами элементов он позволяет выделять импульсы с длительностью 180...200 мкс.

На рис. 11.17, 6 показана форма сигналов в характерных точках устройства.

Ограничитель на логических элементах (рис. 11.18, а). Ов построен на логических элементах. В результате действия цепи R1, VD1 элемент DD1.3 переключается при напряжении, близком к нулю. Входной сигнал положительной полярности превышает порог переключения элемента DD1.3, который обратной связью через элемент DD1.2 фиксируется в этом состоянии. Обратная связь позволяет свести к минимуму длительность фронта и спада выходного сигнала. После спада входного сигнала переключается элемент DD1.1, который возвращает элемент DD1.2 в исходное состояние.

Ограничитель работает устойчиво на частоте 1 кГц и более. Для сигналов с меньшей частотой следования необходимо исключить конденсатор С1 и согласовать ограничитель по входу с источником сигнала. Подборкой резистора Rl можно регулировать порог срабатывания ограничителя.

На рис. 11.18,6 показана форма входного и выходного сигналов.

Составные ограничители

Пороговый преобразователь сигнала (рис. 11.19) Операционный усилитель ОУ DA1 имеет отрицательный порог переключения U1, а ОУ DA2 — положительный U2; ОУ DA3 совместно с резисторами R3—R5 образуют триггер Шмитта. Когда входной сигнал превышает порог Us, ОУ DA2 переключается, на его выходе устанавливается отрицательное напряжение, равное входному.

Это отрицательное напряжение переключит триггер Шмитта и на его выходе также возникнет отрицательное напряжение. Когда входное напряжение становится отрицательным и превышает порог di, ОУ DA1 переключится и на его выходе установится положительное напряжение, равное входному. Триггер Шмитта переключится и на его выходе установится положительное напряжение. Таким образом, ограничитель срабатывает при входном напряжении, превышающем пороговое.

Сравнивающее устройство (рис. 11.20, а). На вход устройства подают исследуемый сигнал. На вход управления поступает двухполярный сигнал пилообразной формы с амплитудой 1 В. На выходах устройства формируются сигналы, вид которых показан на рис. 11.20, 6 (форма соответствует положительному значению входного сигнала; для отрицательных значений входного сигнала показанные выходные сигналы меняются местами) Интервал срабатывания устройства определяется делителями R1, R2 и R3, R4; напряжение D U£ 0.5 В.

Двухпороговый компаратор (pис. 11.21, а). Компаратор по схеме на рис. 11.21, а выполнен на двух ОУ. Пороги срабатывания устанавливают подборкой элементов делителя R1—R3. На рис. 11.21,6 показана практическая схема двухпорогового компаратора на одном ОУ.

Когда входное напряжение закрывает диод VD1, оно поступает на неинвертирующий вход ОУ. Напряжение на инвертирующем входе представляет собой сумму питающего и входного напряжений. Напряжение верхнего порога равно Uв=UnopR1/(R1+R2). Когда входное напряжение открывает VD1, напряжение на неинвертирующем входе равно UVD1=—0,7 В. Значение нижнего порога определяется выражением:

Для регулировки порогов срабатывания ОУ можно предусмотреть два переменных резистора R1 и R3 (рис. 11.21, в). Напряжение на движке резистора R2 равно U1=Uв, а на движке R3 Uв=U1— UVD1 (1+r), где r=R3/R1.

Характеристика компаратора показана на рис. 11.21, г.

Компаратор с релейной нагрузкой (рис. 11.22). Нагрузкой компаратора служат два реле К1 и К2, которые включаются при установленных уровнях входного сигнала. Когда входное напряжение превышает верхний заданный уровень, срабатывает реле К1 и включается светодиод HL1, а при уменьшении входного сигнала до нижнего уровня — реле К2 и светодиод HL2. Уровни срабатывания устанавливают переменными резисторами R4 и R9. Пределы изменения верхнего, и нижнего уровней регулируют переменными резисторами R5 и R10. Образцовое напряжение формирует стабилитрон VD1. Для температурной компенсации включен диод VD2.

Входной сигнал подается одновременно на оба ОУ. Когда входной сигнал превышает верхний уровень, срабатывает ОУ DA1, а при уменьшении ниже нижнего уровня — ОУ DA2. Уровни срабатывания можно устанавливать в пределах от 0 до 5,6 В.

Амплитудный дискриминатор (рис. 11.23). Дискриминатор формирует на выходе прямоугольный импульс в случае, когда на его входе действует импульс с заданной амплитудой. Таймеры DD1, DD2 включены по схеме мультивибратора. Такой мультивибратор формирует выходной импульс длительностью i =1,1R7C5 или 1,1R9C6, если на запускающий вход таймеров (вывод 2) подаются отрицательный перепад напряжения ниже уровня Uп/3. Делители напряжения, подключенные к запускающему входу таймеров, позволяют регулировать смещение в пределах от Uп/3 до Uп. При Uп=15 В дискриминатор может запускаться отрицательными импульсами с амплитудой от минимального значения, близкого к нулю, до 10 В.

Если на оба таймера подано одинаковое смещение, то они запускаются одновременно. Поскольку выход одного таймера (DD1) подключен к входу сброса второго, при запуске верхнего по схеме ждущего мультивибратора нижний заторможен. Когда же порог срабатывания таймера DD1 устанавливают более высоким, чем у DD2, выходной импульс формируется только в случае, если амплитуда входных импульсов лежит в пределах между двумя порогами. Импульсы, амплитуда которых ниже порога таймера DD2, не запустят ни один мультивибратор. Входные импульсы, превышающие порог таймера DD1, запустят оба. Однако, поскольку нижний мультивибратор блокируется верхним, выходной импульс не формируется. При регулировке дискриминатора устанавливают “окно”, равное разности между двумя порогами.

Для параметров элементов, указанных на схеме, и напряжения питания 15 В входной порог регулируется от 0 до 10 В, а ширина окна может изменяться от максимального значения 10 В до нуля.

Компаратор на двух транзисторах (рис 11.24, а). Если входной сигнал меньше напряжения на базе транзистора VT1, оба транзистора закрыты. С превышением этого напряжения открывается транзистор VT1, а следом за ним и VT2. Напряжение на коллекторе транзистора VT2 резко уменьшается, что вызывает еще более глубокое открывание транзистора VT1. В результате положительной ОС оба транзистора быстро входят в насыщение. При уменьшении входного напряжения, когда оно достигнет значения приблизительно 1,6 В, транзисторы выходят из насыщения и также быстро закрываются.

Переменным резистором R3 можно регулировать порог открывания транзистора VT1 а таким образом уменьшать ширину гистерезиса характеристики переключения (рис. 11.24,6).