МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра систем автоматизированного проектирования
отчет
по лабораторной работе №3
по дисциплине «Схемотехника»
Тема: Триггеры Шмитта, аналоговые компараторы и мультивибраторы
Студент гр. 8091 |
|
Гришин И.Д. |
Преподаватель |
|
Соколов Ю.М. |
Санкт-Петербург
2020
Цель работы состоит в ознакомлении с принципами построения триггеров Шмитта, аналоговых компараторов и мультивибраторов, реализуемых на операционных усилителях (ОУ), и в экспериментальном исследовании их основных технических характеристик с использованием системы NI ELVIS.
3.1. Триггеры Шмитта
3.1.1 Общая часть
Схема
триггера Шмитта приведена на рис. 3.1
(РИП – регулируемый
источник питания, ЦМ – цифровой
мультиметр).
Он представляет собой операционный
усилитель с цепью положительной обратной
связи
,
.
Триггер Шмитта имеет гистерезисную
характеристику передачи (см. рис. 3.2,
кривая 1)
и может находиться в двух устойчивых
состояниях, соответствующих максимальному
и минимальному
напряжениям на выходе ОУ.
Рассмотрим
работу триггера Шмитта, полагая, что ОУ
близок к идеальному. Пусть в начальный
момент он находится в состоянии с уровнем
выходного напряжения
(см. рис. 3.2, кривая 1,
точка A,
<
0). В этом случае напряжения
и
положительны, что и поддерживает триггер
в данном состоянии.
,
,
,
(3.1)
где
- коэффициент цепи обратной связи. Если
теперь напряжение , возрастая, превысит
напряжение (3.1), то напряжение станет
отрицательным, при этом триггер Шмитта
перейдет в состояние с уровнем выходного
напряжения (см. рис. 3.2, кривая 1,
точка В)
,
,
,
.
(3.2)
Если теперь начать уменьшать напряжение , то, когда оно станет меньше напряжения (3.2), напряжение снова станет положительным и триггер Шмитта вернется в исходное состояние (см. рис. 3.2, характеристика 1, точка А).
,
,
.
(3.3)
Рис.3.1
Рис.3.2
Из
соотношений (3.2), (3.3) и рис. 3.2 очевидно,
что напряжение гистерезиса
равно
.
(3.4)
Триггеры Шмитта нашли широкое применение в аналоговых компараторах, мультивибраторах, импульсных стабилизаторах напряжения и других электронных устройствах.
3.1.2. Экспериментальная часть
Исследуем
работу
триггера Шмитта
на ОУ, для чего соберем на макетной плате
схему, представленную на рис. 3.1 (
=
10 кОм;
= 100 кОм;
= 100
кОм). В меню запуска инструментов NI ELVIS
выберем функции Variable
Power Supplies
(Регулируемые источники питания) и
Digital
Multimeter
(Цифровой мультиметр). На лицевой панели
РИП установим входное напряжение
= 0
и с помощью ЦМ измерим выходное напряжение
.
Если оно максимально:
=
,
то фиксируем
его и плавно увеличиваем входное
напряжение
до
значения
,
при котором триггер
Шмитта изменит свое состояние (см. рис.
3.2, кривая 1).
Измеряем напряжения
,
и с использованием РИП отрицательной
полярности (SUPPLY-)
определяем напряжение
,
при котором триггер
возвратится в исходное состояние.
По результатам эксперимента необходимо
построить характеристику передачи
триггера
Шмитта (см. рис. 3.2, кривая 1),
определить ширину ее гистерезиса и
сравнить с расчетной величиной (3.4). Если
в начале эксперимента с триггером (см.
рис. 3.1) выходное
напряжение минимально:
=
, то подключаем к входу РИП отрицательной
полярности (SUPPLY-),
плавно
изменяем входное напряжение
до
значения
и т. д.
3.2. Аналоговые компараторы
3.2.1. Общая часть
Аналоговыми компараторами называются пороговые устройства, предназначенные для сравнения двух аналоговых сигналов: измеряемого и опорного, с выдачей результата сравнения в виде перепада выходного напряжения. При этом различают компараторы с безгистерезисной и гистерезисной характеристиками передачи.
Схема
гистерезисного аналогового компаратора,
реализованного на триггере Шмитта,
представлена на рис. 3.3. Этот компаратор
сравнивает измеряемое напряжение с
опорным напряжением
;
при этом оба напряжения должны иметь
одинаковую полярность.
Рис.3.3
Работа компаратора (см. рис. 3.3) во многом аналогична работе триггера Шмитта (см. рис. 3.1), но поскольку в компараторе резистор подключен к
опорному
напряжению , то характеристика передачи
компаратора (см. рис. 3.2, кривая 2)
представляет собой характеристику
триггера Шмитта (см. рис. 3.2, кривая 1),
смещенную вправо на величину напряжения
. При этом напряжения переключения
компаратора
,
и
его напряжение гистерезиса определяются
очевидными соотношениями:
,
,
,
(3.5)
Напряжение
гистерезиса компаратора уменьшается
с уменьшением коэффициента цепи обратной
связи
,
т. е. при увеличении сопротивления
и при гистерезисный компаратор
превращается в безгистерезисный.