ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10. АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ И СХЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ: ЗАДАНИЕ
1. Соберите схему, показанную на рис. 1. Схема содержит три аналоговых компаратора без гистерезиса.
Рис. 1. Схема для исследования компараторов без гистерезиса
Низкий уровень напряжения на выходе каждого из компараторов включает один из трех светодиодов. Светодиод включится, если напряжение с генератора, поступающее на инвертирующий вход подключенного к нему компаратора, превысит напряжение, поступающее
смногорезисторного делителя R1-R4.
2.Включите питание схемы и при помощи мультиметра измерьте значения пороговых напряжений UПОР1 – UПОР3, поступающих с делителя R1-R4 на неинвертирующие входы компараторов.
3.Настройте лабораторный генератор на выдачу пилообразного напряжения амплитудой 16 В без постоянного смещения и частотой 1 Гц; включите схему. Правильно собранная схема будет вести себя как шкальный индикатор напряжения на выходе генератора. Если напряжение низкое, все светодиоды выключены. По мере роста напряжения включается один (DL3), затем два (DL3 и DL2) и, наконец, все три светодиода. По мере снижения напряжения
сгенератора количество включенных светодиодов уменьшается.
4.Подключите канал №1 осциллографа к выходу генератора, а каналы №№2-4 – к выходам компараторов DA1 – DA3. Сфотографируйте получившуюся осциллограмму. Если при
Аналоговые компараторы и схемы на их основе: задание |
Стр. З-10-1 |
уменьшении масштаба по оси времени осциллограф перейдет в режим самописца, верните его в нормальный режим (нажав подсвеченную кнопку «СП» рядом с ручкой управления масштабом).
5.При помощи горизонтального курсора определите экспериментальные значения напряжений срабатывания компараторов. Для этого поочередно совмещайте осциллограммы сигналов на выходах компараторов с осциллограммой сигнала с выхода генератора и измеряйте курсором мгновенные значения напряжения с генератора в моменты переключения компаратора.
6.Соберите схему для исследования компаратора с гистерезисом, показанную на рис. 2. Значения сопротивлений резисторов R1 и R2 возьмите из табл. 1.
Рис. 2. Схема для исследования компаратора с гистерезисом
Подключите к выходу генератора (сигнал UВХ) канал №1 осциллографа, к выходу компаратора (сигнал UВЫХ) – канал №2, к неинвертирующему входу компаратора (сигнал U(+)) – канал №3. Настройка генератора остается такой же, как была в предыдущем эксперименте (пилообразное напряжение частотой 1 Гц, амплитудой 16 В, без смещения).
Табл. 1. Значение сопротивлений резисторов в схеме компаратора
№ стола |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
R1, кОм |
47 |
68 |
68 |
100 |
15 |
68 |
100 |
150 |
22 |
33 |
R2, кОм |
220 |
220 |
470 |
330 |
47 |
330 |
220 |
330 |
68 |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ стола |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
R1, кОм |
15 |
22 |
33 |
47 |
68 |
22 |
33 |
47 |
68 |
10 |
R2, кОм |
100 |
150 |
220 |
220 |
470 |
100 |
150 |
470 |
100 |
100 |
7.Включите схему, убедитесь по миганию светодиода в том, что компаратор переключается. Собранная схема выполняет сравнение входного напряжения UВХ с напряжением 0 В (т.к. левая по схеме точка резистора R1 заземлена), с гистерезисом, заданным соотношением сопротивлений резисторов R1 и R2.
8.Сфотографируйте осциллограмму сигналов на входах и выходе компаратора. Убедитесь в том, что компаратор срабатывает в момент равенства сигналов UВХ и U(+) на своих входах.
9.Совместив осциллограмму сигнала с генератора UВХ и осциллограмму выходного сигнала UВЫХ, измерьте при помощи горизонтальных курсоров напряжения включения и выключения компаратора.
Аналоговые компараторы и схемы на их основе: задание |
Стр. З-10-2 |
C1 |
1 |
|
|
|
|
+U |
П |
2 |
|
|
+U |
П |
|
|
3 |
|
|
|
|
100 нФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПОР |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R3 |
|
|
|
|
|
R4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 кОм |
|
|
|
|
|
|
+UП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+U |
|
|
10 кОм |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
+U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
R6 |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
470 кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ВЫХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+U |
|
||
|
|
DA1 |
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
VT |
R5 |
|
|
П |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
DA2 |
|
|
R9 |
|
1 кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 кОм |
|
|
|
|
|
||
VD1 |
|
|
|
|
R7 |
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
-U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
3.3 кОм |
68 кОм |
|
П |
|
|
|
VD2 |
DL1 |
DL2 |
DL3 |
DL4 |
|
||
|
-U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
680 кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
470 Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
! ! ! ВНИМАНИЕ ! ! ! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3. Схема автомата включения освещения |
|
|
|
|
|
||||||||
10.Соберите схему автомата включения освещения согласно рис. 3. Рекомендуется собирать схему по частям, проверяя работоспособность каждой из них.
11.Сначала соберите схему датчика освещенности на фотодиоде VD1 и операционном усилителе DA1 (часть 1 на рис. 3). Подключите выход ОУ (цепь сигнала от датчика UД) к первому каналу осциллографа. Включите схему, убедитесь, что сигнал на выходе зависит от условий освещенности фотодиода. При перекрытии фотодиода ладонью амплитуда напряжения UД должна изменяться от 5-10 В до ~0.5 В. Для изменения уровня освещенности вы также можете использовать локальный светильник на вашем столе и фонарик мобильного телефона.
12.Затем соберите схему компаратора с гистерезисом (часть 2 на рис. 3). Обратите внимание, что схема компаратора в обязательном порядке включает в себя резистор подтяжки R4, без него транзисторный ключ, подключенный к выходу компаратора, не сможет закрываться. Подключите цепь напряжения UПОР, снимаемого со скользящего контакта потенциометра R3, к каналу №2 осциллографа; сигнал с выхода компаратора UВЫХ – к каналу №3. Напряжение UПОР будет задавать порог срабатывания компаратора. Вращая ручку потенциометра, установите значение UПОР, обеспечивающее надежное срабатывание компаратора при изменении условий освещения, которых добивайтесь, как раньше: закрывая фотодиод рукой, включая и выключая локальное освещение на рабочем месте, или при помощи фонарика мобильного телефона.
13.В завершение сборки добавьте к компаратору схему включения силовой нагрузки, состоящую из транзисторного ключа VT на p-n-p транзисторе (включается низком напряжением
свыхода компаратора) и электромагнитного реле K (часть 3 на рис. 3). Обратите внимание, что реле питается от напряжения 12 В: катод защитного диода VD2 и верхняя по схеме точка обмотки реле должны быть подключены к коллектору транзисторного ключа, а нижняя по схеме точка обмотки – к земле. Силовая нагрузка моделируется гирляндой из четырех последовательно включенных светодиодов DL1-DL4, коммутируемых контактной группой реле. Перед включением питания несколько раз проверьте правильность подключения реле!
Продемонстрируйте преподавателю работающую схему.
14.Установите масштаб по оси времени 1 с/клетка (при этом осциллограф перейдет в режим самописца, либо его нужно включить вручную). Изменяя условия освещенности фотодиода, добейтесь того, чтобы на экране осциллографа были видны процессы включения и выключения компаратора. Остановите отображение картинки, нажав на осциллографе кнопку «СТОП» и сфотографируйте осциллограмму. Измерьте при помощи горизонтального курсора величину напряжений включения и выключения компаратора.
15.Смоделируйте работу компаратора без гистерезиса: отключите от схемы резистор обратной связи R2. Медленно изменяя условия освещенности фотодиода, пронаблюдайте поведение схемы. Сфотографируйте осциллограмму сигналов, действуя аналогично п. 14.
Аналоговые компараторы и схемы на их основе: задание |
Стр. З-10-3 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10. АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ И СХЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ: ШАБЛОН ОТЧЕТА
Составьте отчет по лабораторной работе, включив в него перечисленное
вшаблоне ниже.
1.Компаратор без гистерезиса
Результаты измерений пороговых напряжений представлены в табл. 1.
Табл. 1. Результаты измерения пороговых напряжений в схеме компараторов без гистерезиса
Компаратор DA1 Компаратор DA2 Компаратор DA3
UПОР, В (измерено мультиметром)
UВКЛ, В (измерено осциллографом)
Рис. 1. Осциллограмма работы схемы шкального индикатора (компараторы без гистерезиса)
2. Компаратор с гистерезисом
Результаты измерений пороговых напряжений представлены в табл. 2.
Табл. 2. Результаты измерения пороговых напряжений в схеме компаратора с гистерезисом
Теоретическое значение |
Экспериментальное значение |
UВКЛ, В
UВЫКЛ, В
Пример расчета:
UВКЛ = UПОР1 = +UП ∙ (R1 / R2) = __________ В,
UВЫКЛ = UПОР2 = –UП ∙ (R1 / R2) = __________ В.
Рис. 2. Осциллограмма работы схемы компаратора с гистерезисом
3. Автомат включения освещения
Результаты измерений пороговых напряжений представлены в табл. 3.
Табл. 3. Результаты измерения пороговых напряжений в схеме автомата включения освещения
UВКЛ, В
UВЫКЛ, В
Рис. 3. Осциллограмма работы компаратора в составе автомата освещения (с гистерезисом)
Аналоговые компараторы и схемы на их основе: шаблон отчета |
Стр. Ш-10-1 |
Рис. 4. Осциллограмма работы компаратора в составе автомата освещения (без гистерезиса)
Аналоговые компараторы и схемы на их основе: шаблон отчета |
Стр. Ш-10-2 |