Добавив в схему диод, в зависимости от его ориентации можно получить на выходе схемы однополярные пиковые импульсы напряжения, соответствующие либо моментам времениt=0; Т; 2Т ...,

либо t = Т/2; 3Т/2; 5Т/2 ... (рис. 5.4,д).

5.2 Детекторы уровня

Это устройства, позволяющие сравнивать испытуемое напряжение Uвх(t) с любым, наперед заданным, эталонным напряжением. Принцип их действия аналогичен принципу действия детекторов нуля, но в отличие от детектора нуля здесь на один из входов относительно точки отсчета напряжений подается эталонное напряжение Uэт, а на другойвход испытуемое Uвх(t). В результате

получается либо неинвертирующий (рис. 5.5, а), либо инвертирующий(рис. 5.5, б) детектор уровня.

Если, например, в схеме рис. 5.5, а входное напряжение Uвх(t) положительно и больше эталонного, т.е.Uвх(t) >Uэт, то вход 1 опе-

рационного усилителя более положителен, чем вход2,и ОУ работает в режиме насыщенного неинвертирующего усилителя. Его

выходное напряжение максимально, в случае усилителей R-tо-R оно равно +Uп.

140

В схеме на рис. 5.5, б, если Uвх(t) > Uэт, то на инвертирующий вход ОУ (вход 2) поступает более положительное напряжение по сравнению с входом 1. Усилитель работает в инвертирующем режиме,и на его выходенаблюдается Uвых= –Uп.

Детекторы уровней можно строить и на ОУ с однополярным

питанием. Естественно, что в случае идеального усилителя R-tо-R типа выходное напряжение здесь может меняться лишь в предлах

∆U = Uп/Ku, неинвертирующий вход 1 усилителя станет более положительным, чем инвертирующий вход2, и усилитель перейдет в режим положительного насыщения. Его выходное напряжение

станет равным Uвых= +Uп.

Таким образом, данная схема позволяет сравнивать положительные испытуемые напряженияUвх(t) с эталонными.

5.3.Компараторы

Компараторы (от английского to compare – сравнивать, сличать) выполняют в электронике те же функции,что идетекторы

нуля и уровня. Они позволяют сравнивать испытуемые напряжения как с нулевыми значениями напряжений, так и с конечными

по величине эталонными напряжениями. Это семейство коммерч-

141

ски доступных микросхем. Схемотехнически они во многом подобны операционным усилителям. Для примера на рис. 5.7 приведена упрощенная схема одного из множества вариантов компараторов,где ИТ – источник тока.

+Uп

7

–Uп

Рис. 5.7

Компаратор обязательно начинается с дифференциального входного каскада на транзисторах 1–6. Как следует из рис. 5.7, его можно питать как от однополярного источника +Uп (замкнута

п(перемычка

Аразомкнута).

Впервом случае компаратор рассчитывают на разнополярныеА U

испытуемые напряжения Uвх(t). Дополнительно он подавляет синфазные помехи более эффективно по сравнению с обычным ОУ, поскольку отсутствие конденсатора в схеме гарантирует меньшее ослабление коэффициента подавления синфазных помех с увеличением ихчастоты.

Выход компаратора выполняется, как правило, на транзисторе с

открытым коллектором – транзисторе 8. Между шиной питания +Uп и коллектором, вне корпуса, подключается подтягивающий

резистор (пунктир на рис. 5.7), обеспечивающий изменение вы-

142

ходного напряжения от 0 до +Uп. Величина сопротивленияRн от сотен ом до килоома.

Усиление компараторов по напряжению велико. Оно сравнимо с усилением существующих операционных усилителей.

Отличает компараторы от операционных усилителей отсутст-

вие в них корректирующих конденсаторов. Это значит, что компараторы нельзя использовать в режиме охвата их отрицательными

обратными связями. Вместе с тем, отсутствие конденсаторов в компараторах гарантирует их существенно большее быстродействие по сравнению с операционными усилителями. Это очень важно в компараторах, где требуется очень быстрый переход их из одного насыщенного состояния в другое. На рис. 5.8 представлена схема включения одного из коммерчески доступных компараторов

в режиме питания от одного источника.

Конечно, при такой организации схемы компаратора он не может бытьдетектором нуля. Таковым онстановится,есливключить его по схемена рис. 5.9.

5.4."Дрожание" (дребезг) выходногонапряжения

вдетекторах нуля, уровня и компараторах иего устранение

Все существующие устройства сравнения напряжений подвержены "дрожанию" (дребезгу) выходного напряжения Uвых(t), если входной сигнал Uвх(t) зашумлен. В детекторах нуля ситуацию ил-

люстрирует рис.5.10 для случаянеинвертирующего (рис. 5.10, а) и инвертирующего (рис. 5.10, б) детекторов.

На рис. 5.10, а на вход неинвертирующего детектора нуля поступает зашумленное напряжение треугольной формы Uвх(t).

143

Мгновенное значение Uвх(t) отличается от идеального треугольного (рис. 5.10, а). В моменты времени, когда мгновенное положительное напряжение становится большим нуля, на выходе появлется Uвых = +Uп, а как только оно становится отрицательным, выходное напряжение меняет знак,т.е. Uвых = –Uп. В момент пере-

хода Uвх(t) через нуль на выходе детектора могут наблюдаться импульсы напряжения – оно "дрожит", поскольку шумовая компо-

нента сигнала успеваетмногократнопересечь нулевой уровень. Аналогичная картина "дрожания" наблюдается и в инверт-

рующем детекторе нуля (рис. 5.10,б). Точно так же "дрожит" выходное напряжение и в компараторах напряжения, если на их вход поступает зашумленное Uвх(t).

Положим теперь, что на выходе такого детектора нуля (компаратора напряжения) должен быть установлен счетчик, предназначенный для счета количества периодов треугольного сигнала. Тогда при отсутствии шума в течение каждого периода следования сигнала содержимое счетчика должно увеличиваться на единицу. Еслиже сигнал зашумлен,как например на рис. 5.10, а, тоза пери-

од следования сигнала содержимое счетчика увеличится на три единицы, вместо одной.

В цифровых системах шум может привести к существенным ошибкам.

144

Радикальный метод устранения "дрожания" выходного напряжения – введение в детекторы нуля (компараторы) гистерезиса (зоны нечувствительности). Достигается этоза счет организации в схеме положительной обратной связи.

Детекторы нуля с гистерезисом представлены на рис. 5.11.

Принцип действия той и другой схем одинаков. ПриUвх = 0 на их неинвертирующий вход поступает напряжениевеличиной

Uни = Uп R1/(R1+ R2).

Еслионопревышаетнасыщение усилителя по входу,т.е.если

Uвх(t) > Uп/Ku,

тоусилитель оказывается насыщенным и его Uвых = Uп . Положим, что при Uвх = 0 (рис. 5.11, б) выходное напряжение

усилителя Uвых = +Uп. Тогда на неинвертирующий вход схемы

приходит Uни = +Uп R1/(R1+ R2) . Это положительное напряжение на неинвертирующем входе и удерживает усилитель в состоянии Uвых = +Uп. Аналогично приUвых = –Uп на неинвертирующем входе

Uни = –Uп R1/(R1+ R2), что и обеспечивает состояние схемы Uвых = = –Uп. Оба состояния схем устойчивы.

145

Положим теперь, что в схеме рис.5.11, а Uвх ≠ 0 и положительно. Тогда исходя из метода суперпозиции напряжение на неинвертирующем входе окажется равным

Uни = Uп R1/(R1+ R2) + Uвх(t)R2/(R1+ R2).

Очевидно, пока Uвх(t) положительно, Uни также положительно и

состояние схемы не меняется, т.е. Uвых = +Uп. Не меняется оно и приUвх = 0. Более того остаетсяоно таковым иприUвх < 0,если

Uвх(t) < Uп R1/(R1+ R2).

Ситуация меняется, как только отрицательное Uвх(t) становится

равным Uвх(t) = Uп R1/(R1+ R2). Теперь малейшее увеличение Uвх (по абсолютной величине) приводит к изменению знака на неин-

вертирующем входе усилителя, что, в свою очередь, обусловит ввод усилителя в отрицательное насыщение,т.е. Uвых = –Uп.

Следовательно,схема переключается из состояния Uвых = +Uп в

состояние Uвых = –Uп при Uвх(t) = –Uп R1/(R1+ R2). Назовем это значение напряжения нижним пороговым значениемUпн. Очевидно,

что последующее увеличение Uвх(t) не может перевести схему в первоначальное состояние сразу. Как и раньше приUвх(t)=0 схема

остается в состоянии Uвых = –Uп. Переключается она, лишь когда положительное Uвх(t) сравняется по модулю сUни.

Положим теперь, что детектор находится в состоянии положительного выходного напряжения. В этом состоянии он и удерживается верхним пороговым напряжением +Uпв на его неинвертирующем входе. Пусть на вход схемы приходит зашумленный

сигнал треугольной формы (пунктирная ломаная линия на рис.

5.12, а).

Тогда, в соответствии с принципом действия схемы, охваченной положительной обратной связью, ее переключение в другое состояние (состояние Uвых = –Uп) произойдет лишь при мгновенном значении зашумленного отрицательногоUвх(t), равном Uпн =

= –Uп R1/(R1+ R2). В этом состоянии схема будет находиться до тех пор, пока положительное мгновенное значение зашумленного

Uвх(t) не достигнетUвх(t) = Uпв.

Мгновенные значения входных напряжений – зашумленные Uвх(t) – теперь не могут переключатьсхему,еслиони не достигают пороговых значений. На рис.5.12, а и б показано поведение неинвертирующего детектора нуля при зашумленном сигнале. Дрожание выходного напряжения здесь отсутствует, как и в случае инвертирующего детектора нуля (рис.5.12, в, г).

146

Естественно, что введение положительной обратной связи является благом втомсмысле,чтоисключает "дрожание" выходного напряжения. Дополнительно она существенно увеличивает скорость перехода схемы из одного устойчивого состояния в другое. Скорость переключения компараторов с положительной обратной

связью несравненно выше схем на операционных усилителях. К сожалению, при этом увеличивается и ошибка сравнения напря-

жений. Если считать, что она привносится только положительной обратной связью, то ошибка∆U ≈±Uп R1/(R1+ R2).

Отсюда глубина обратной связи определяется компромиссом между желанием исключить дрожание выходного напряжения и ошибкой. Обычно в устройствах сравнения используется сравнительно неглубокая положительная обратная связь и можно пороговое напряжение (ошибку) определять приближенно

∆U = ±Uп R1/(R1+ R2) ≈Uп R1/R2.

Из двух схем детекторов нуля с гистерезисом предпочтительнее оказывается инвертирующая схема. Дело в том, что в неинвертирующей схеме пороговое напряжение устанавливается менее точно из-за внутреннего сопротивления Rвн источника испытуемого сигнала,которое можетменяться.Пороговое напряжение здесь

Uпг = Uп (R1 + Rвн)/(R1+ Rвн + R2).

Положительная обратная связь, во избежание "дрожания" вы-

ходных напряжений, применяется и в компараторах напряжений (детекторах нулевых уровней)(рис. 5.13, а, б).

147

В компараторах напряжений, так же как и в детекторах нуля, в основном надлежит использовать инвертирующие схемы (рис. 5.13, б). Сравнение входного напряженияUвх(t) здесь происходит не с эталонным напряжением Uэт,аснесколько отличным от него

Пример. Детектор нуля выполнен на операционном усилителе

с двухполярным питаниемUп = ±15 В. Амплитуда входного сигна-

ла Uвхm = 5 В. Двойная амплитуда максимальной шумовой компоненты в сигнале 2Uш m = 200 мВ. Если R1=1кОм, определить тре-

буемое значение R2, исключающее "дрожание" выходного напряжения из-за шума.

Решение. Амплитуда шумовой составляющей

Uш m = 200 мВ/2 = 100 мВ = 0,1 В.

Требуемое сопротивление R2 с учетом допуска на номинальное сопротивление и малой ошибкидетектирования можно определить

из условияUпг = Uп R1/(R1+ R2) ≈ Uп R1/R2.

Еслизадатьсязначением R1, напримерR1=1 кОм,то

R2 = Uп R1/Uпг = 15 1 кОм/0,1 = 150 кОм.

Как следует из примера, R2 >> R1,т.е. соотношение R1 + R2 ≈ R2, состоятельно.

При уточненной оценке погрешности сравнения напряжений в рассмотренных схемахследует иметьв виду,что фактически Uвх(t) сравнивается здесь не с Uэт, а с его значением, приведенным к неинвертирующему входу.

148

Пример. Для данных предыдущего примераоценить фактическое состояние эталонного напряжения, использованного в схеме для сравнения, еслиUэт=5В.

Решение. Эталонное напряжение поступает на неинвертирующий вход будучи численно ослабленным резистивным делителем цепи положительной обратной связи, т.е.

U''эт= Uэт R2/(R1+ R2)=5В 150кОм/(1+150 кОм) = 4,97 В.

Погрешность составляет ∆U =30 мВ.

5.5. ТриггерыШмитта

Для надежной работы цифровых схем необходимо, чтобы их входные сигналы имели форму прямоугольных импульсов с очень малым временем нарастания испада фронтов.

На интервале времени нарастания и спада фронтов цифровые схемы ведутсебя как обычные усилителис оченьбольшим коэффи-

циентом усиления. Это означает, чтоименно в эти интервалы времени шумы, присутствующие вовходных сигналах, могут вызывать ложные срабатывания цифровых схем.Поэтому вновь возникает задача, подобная решаемой в схемах сравнения. Отличием является то, что здесь нет необходимости говорить о погрешности преобразования сигнала произвольной формы в прямоугольный. Здесь ав-

жен сам факт преобразования Uвх(t) в прямоугольный импульс. Эта задача решается, как в схемах сравнения, охватом некоторого уси-

лителя глубокой положительной обратной связью. Слово "глубокая" означает очень широкую петлю гистерезиса, чтоделает схему практически нечувствительной к шумам во входном сигнале. Ширина петлигистерезисаздесьсоставляет от 0,5 до 0,9В.

Как правило, в коммерчески доступных микросхемах триггеров

Шмитта положительная обратная связь осуществлена за счет схемотехнических решений, реализованных в кристалле. Навесные

элементы здесь не требуются,еслимикросхема предназначена для преобразования напряжений произвольной формы в прямоугольные.

5.6.Коммерческидоступные компараторы

Всхемах компараторов напряжений использование операционных усилителей возможно,но вряд ли целесообразно. Дело в том,

что операционные усилители должны работать в режиме охвата их

149