Глава 13 компараторы, сравнивающие устройства, ограничители

Базовым элементом большинства приборов автоматики явля­ются пороговое или сравнивающее устройство. Основой этих уст­ройств является усилитель с большим коэффициентом усиления и с ПОС. Выходной сигнал пороговых устройств может быть как переменным, так и постоянным. Устройства разрабатывают различ­ными способами с привлечением самых разнообразных элементов. Однако все они могут быть разделены на две основные группы. В схемах сравнения применяют линейные и нелинейные элементы. Линейные схемы сравнения выполняют на резисторах с ОУ. Усилитель увеличивает рассогласование сравниваемых сигналов. В момент равенства сигналов меняется полярность выходного сигнала усилителя. Линейные схемы сравнения, в частности с нуле­вым опорным уровнем, являются ограничителями исследуемого сиг­нала. В этих схемах входной сигнал преобразуется в сигнал релей­ного вида. Порог срабатывания может устанавливаться на любом уровне.

Нелинейные схемы сравнения имеют ПОС. При незначительном переходе исследуемым сигналом опорного уровня на выходе уси­лителя рассогласования возникает сигнал, который поступает на вход и увеличивает рассогласование. Эти схемы обладают большей чувствительностью, чем линейные. Однако нелинейные схемы из-за ПОС имеют характеристику гистерезисного типа.

Сравнивающие устройства, применяемые в качестве ограничите­лей, имеют ряд специфических особенностей. Эти устройства поз­воляют убрать паразитную AM высокочастотных колебаний при приеме ЧМ сигнала. Кроме того, их применяют при дискретных (цифровых) методах обработки. В этом случае гармонические ко­лебания преобразуются в импульсные сигналы.

Схемы включения ОУ, которые используются в устройствах, по­казаны в гл. 1.

1. Ограничители

Ограничитель на транзисторах в схеме с ОБ. Устройство (рис. 13.1) ограничивает входной сигнал по двум уровням (±1 В). Эти уровни задаются напряжениями в базах транзисторов. По­ложительный: уровень устанавливается на базе транзистора VT1, а отрицательный — на базеVT2. Когда входной сигнал превышает +1 В, открывается транзисторVT1 и через эмиттерную цепь ог­раничивается входной сигнал. Внутреннее сопротивление этого ог­раничителя составляет 10 Ом.

Рис. 13.1 Рис. 13.2

Индикатор нуля.На вход индикатора (рис. 13.2) подается си­нусоидальный сигнал с амплитудой больше 1 В. Частота входного сигнала может иметь значения от 0 до 100 кГц. На выходе инди­катора формируются отрицательные импульсы длительностью 50 мкс. Импульсы формируются в тот момент, когда входной сиг­нал проходит через нулевое зна­чение. Отрицательная полуволна входного сигнала черезR1 пода­ется на эмиттер транзистораVT3 и открывает его. В это время тран­зисторVT2 находится в закрытом состоянии. Когда на входе суще­ствует положительная полуволна синусоидального сигнала, в откры­том состоянии находится тран­зисторVT1. ТранзисторVT2 опять будет закрыт. И только в тот момент, когда оба транзистораVT1 иVT3 закрыты, открывается транзисторVT2. Этот момент наступает при переходе входного сиг­нала через нулевое значение. В индикаторе можно применить ин­тегральную микросхему К198НТ1.

Ограничитель на ОУ.Устройство (рис. 13.3) позволяет менять уровень ограничения сигнала. НаВход 1 подается переменный сиг­нал, а наВход 2 — напряжение, соответствующее уровню ограни­чения. При задании нулевого порога на инвертирующем входе ОУ резисторR2 можно не ставить. Максимальная амплитуда входного сигнала 3 В. Ограничитель работает на частотах не более 1 МГц.

Рис. 13.3 Рис. 13.4

Рис. 135

Однополярный ограничитель.Входной сигнал (рис. 13.4) одно­временно поступает на два ОУ, но на разные по полярности входы. ПеЪвый усилитель ограничивает входной сигнал с уровняЕ₁, а вто-Р0и усилитель — с уровняЕ₂. Эти уровни можно в широких пре-Д£лах менять. В частном случае, когда £| = £₂=0, ограничитель фиксирует момент перехода входного сигнала через нуль.

Двухуровневый компаратор.Приведенная на рис. 13.5,а схема включения сдвоенного компаратора позволяет выделить входной сигнал, лежащий между двумя уровнями. Эти уровни могут регу­лироваться в широких пределах. Если входной сигнал меньше зна­ченияei, на выходе присутствует положительное напряжение. Ана­логичное напряжение будет и при превышении входным сигналом значения £₂. В промежутке между уровнямиei и £₂на выходе бу­дет сигнал, близкий к нулевому. Аналогичную схему (рис. 13.5,б) можно построить на двух ОУ. Однако она будет значительно усту­пать по быстродействию интегральной микросхемы К521СА1.

Ограничитель на интегральной микросхеме К284ПУ1.В качест­ве усилителя в микросхеме (рис. 13.6, а) использован бескорпус­ный твердотельный ОУ типа К740УД1. Элементы коррекции раз­мещены внутри интегральной микросхемы. Амплитудно-частотная характеристика усилителя приведена на рис. 136,а. Коэффициент усиления равен (1,2 — 8)10⁴. Напряжение смещения не превышает 7,5 мВ. Разность входных токов не превышает 0,5 мкА, а входные токи — 1,5 мкА. Максимальный входной синфазный сигнал равен 8 В. Максимальный дифференциальный входной сигнал +5 В, Входное сопротивление около 50 кОм. Коэффициент ослабления синфазного входного напряжения более 65 дБ. Температурный дрейф напряжения смещения 6 мкВ/град. Температурный дрейф разности входных токов 1,5 нА/град. Скорость нарастания выходно­го сигнала 1 В/мкс. В микросхеме введены два стабилитрона с на­пряжением стабилизации 10 В. Стабилитроны включены навстречу друг другу с дифференциальным сопротивлением 220 Ом и макси­мально допустимым током 2 мА.

На рис. 13.6, б приведена схема двухполярного ограничителя на основе К284ПУ1. Максимальная амплитуда выходного сигнала рас­считывается по формулам

где R_В= 143 кОм;U_д= 0,7 В — прямое падение напряжения на внут­реннем диоде.

На рис. 13.6, в, г показаны две схемы ограничителей входного сигнала положительной полярности, а на рис. 13.6,д, е — ограни­чители отрицательной полярности.

Рис. 136

Ограничитель с динамическим сопротивлением.Порог открыва­ния первого транзистора (рис. 13.7,а) устанавливается делителемR4, R6. В эмиттер включен транзисторVT3. Когда входное напря­жение превысит установленный порог, транзисторыVT1 иVT2 от­крываются и происходит лавинообразный процесс Коллекторный ток транзистораVT2 переводит транзисторVT3 в насыщение По­роговое напряжение уменьшается до нуля. Через базовую цепь транзистораVT1 будет протекать большой ток, который переведет транзисторыVT1 иVT2 в насыщение. При уменьшении входного напряжения транзисторыVT1 иVT2 выходят из насыщения При малых токах транзистораVT2 увеличивается напряжение на кол­лекторе транзистораVT1. В результате схема возвращается в исходное состояние. Переходные характеристики ограничителя приве­дены на рис. 13.7,б.

Ограничитель базового тока. Ограничитель (рис. 138, а) охва­чен ПОС через резистор R3. За счет этого ограничитель имеет пе­редаточную характеристику гистерезисного типа. Ширину гистере-знсной петли можно регулировать резистором R1. С увеличением сопротивления этого резистора верхняя граница петли гистерезиса увеличивается. Нижняя граница не меняется при изменении сопро­тивления любых резисторов. Она определяется порогом открыва­ния транзистораVT1. Кроме того, на гистерезис влияет сопротив­ление резистораR4. При сопротивлении резистораR4, равном 3 кОм, меняется характер работы устройства, гистерезис исчезает. Ограничитель обладает большим коэффициентом усиления, в пер­вую очередь определенным сопротивлением резистораR2. На рис. 13.8,б приведены переходные характеристики ограничителя.

Рис. 13.7

Ограничитель на ОУ со стабилизацией нуля.Для исключения временного и температурного дрейфа нуля ОУ в схему ограничите­ля (рис. 13.9) введены два транзистора. Выходные сигналы транзи­сторов объединяются и фильтруются с целью выделения постоянной составляющей. При подаче на вход гармонического сигнала на вы­ходе сбалансированного ОУ должен быть прямоугольный сигнал с равными положительными и отрицательными полупериодами. На выходе фильтра при этом постоянная составляющая будет отсутствовать. При разбалансе ограни­чителя возникает разница в дли­тельностях полупериодов. На вы­ходе фильтра выделяется посто­янная составляющая, которая из­меняет режим ОУ. Постоянная времени фильтра выбрана так, чтобы фильтр не пропускал со­ставляющие с частотами, кратны­ми частоте входного сигнала. Дрейф нуля уменьшается до 10 мкВ за 1 ч. Включение коррек­тирующих элементов ОУ можно найти в гл. 1.

Рис. 13.8 Рис. 13.9

Ограничитель высокочастотных сигналов. Ограничитель сигналов с частотами до 5 МГц (рис. 13.10, а) можно построить на микро­схеме К228СА2 (рис. 13.10, б). Чувствительность схемы зависит от частоты (рис. 13.10, б). Ограничитель имеет парафазный выход. Максимальный уровень выходного напряжения не менее 2,8 В, а минимальный уровень — не более 0,4 В. Входной ток менее 40 мкА.

Рис. 13.10