2.6. Контрольные вопросы

1. Что такое компаратор аналоговых сигналов?

2. Нарисуйте схему компаратора – детектора нуля. Объясните работу схемы. Приведите временную диаграмму работы компаратора.

3. Чему равно напряжение на выходе компаратора – детектора нуля, если входной сигнал равен нулю?

4. Объясните причину возникновения ложных переключений компаратора.

5. Как устранить ложные переключения компаратора?

6. Приведите схему компаратора с ПОС (триггер Шмидта). Объясните его работу. Приведите временную диаграмму его работы.

7. Как ограничить выходное напряжение компаратора. Приведите схемы, объясните их работу.

8. Приведите схему компаратора с окном. Объясните его работу. Приведите временную диаграмму его работы.

9. Приведите основные характеристики компаратора К554СА3 (LM311). Нарисуйте схему включения компаратора.

3. Схемы для измерительных систем

3.1. Схемы выборки - хранения

Схема выборки – хранения предназначена для запоминания значения напряжения в режиме хранения и отслеживания входного напряжения в режиме выборки. Таким образом схема работает в двух режимах: режиме выборки и хранения. Переход схемы из одного режима в другой осуществляется под управлением сигнала поступающего от схем цифровой логики. Схема выборки хранения применяются в системах сбора и обработки аналоговых сигналов, в цифровых системах управления, в цифровых системах связи. На рис.3.1 показан принцип работы схемы выборки – хранения. Из рисунка видно, что схема хранит значение напряжение, которое было на входе схемы в момент подачи управляющего сигнала "хранение". Время длительности сигнала "выборка" должно быть не меньше времени достижения выходным сигналом значения входного. В худшем случае напряжение на выходе может изменяться отU_{вх min}доU_{вх max}.

В качестве запоминающего элемента в схемах выборки – запоминания используется конденсатор. Существуют много вариантов схем выборки – хранения. Одна из схем выборки хранения приведена на рис.3.2. Схема отличается умеренной точностью, но хорошим быстродействием.

Усилитель А1 представляет собой буфер для входного сигнала, а усилитель А2 - для выходного сигнала. В режиме "выборка" ключ на транзистореVT1 замкнут и емкость заряжается до входного напряжения. Так как напряжение на емкости является входным напряжением повторителя А2, то напряжение на выходе будет равно входному напряжению. При подаче сигнала "хранения" ключVT1 закрывается, цепь заряда емкости разрывается и емкость хранит напряжение, до которого она была заряжена. Время хранения определяется длительностью сигнала "хранение". После подачи сигнала "выборка" емкость быстро заряжается до входного напряжения через замкнутый ключ от усилителя А1, имеющего малое выходное сопротивление. СопротивлениеR1 необходимо для предотвращения пробоя входного транзистора усилителя А2 при выключении питания, когда емкость еще сохраняет некоторое время напряжение.

Для управления ключом используется схема на транзисторах VT2 иVT3, работающих в ключевом режиме. Схема позволяет управлять ключом от схем ТТЛ. Когда управляющее входное напряжение станет равным 5 В, то транзисторыVT1 иVT2 включаются. На катод диодаVD1 поступает положительное напряжение +U_п, которое его запирает. Исток полевого транзистораVT1 через сопротивлениеR2 подключается к затвору и транзистор открывается. Конденсатор С1 заряжается до входного напряжения от усилителя А1. Напряжение управления должно прикладываться в течение достаточно длительного времени для того, чтобы зарядить конденсатор до полного значения входного напряжения. Время выборки должно быть по крайней мере равно

t_выб = 10(R_{вых А1}+R_{си вкл} )С1,

где R_{вых А1}– выходное сопротивление усилителя А1,R_{си вкл} - сопротивление сток-исток открытого транзистораVT1.

Когда напряжение на управляющем входе станет равным 0 В, то транзисторы VT1 иVT2 выключаются, на катод диода через резисторR3 поступает отрицательное напряжение –U_п. Диод открывается и пропускает на затвор полевого транзистораVT1 напряжение –U_п, которое закрывает ключ. Схема переходит в режим хранения. Выходное напряжение будет оставаться примерно на уровне последнего значения входного напряжения до следующего периода выборки. Конденсатор при этом будет медленно разряжаться через полевой транзистор, собственное сопротивление утечки и под влиянием входного тока усилителя А2. Потеря напряжения на конденсаторе к концу периода хранения будет

U_{с хран}=I_c t_хран /C1,

где I_cсумма токов утечки полевого транзистора, конденсатора С1 и входного тока усилителя А2. Для уменьшения токов утечки конденсатора при большой их емкости следует выбирать емкость с тефлоновым, полиэтиленовым или поликарбонатным диэлектриком. Для малых значений емкости подходят стеклянные или серебряно-слюдянные конденсаторы.

Величины, характеризующие качество схем выборки-хранения.

1. Дрейф фиксирующего напряжения

U_вых /t = I_{с разр} / C,

где I_{с разр} ток разряда конденсатора.

При заданном токе утечке величина дрейфа фиксирующего напряжения может быть уменьшена путем увеличения емкости С. Однако, при этом ухудшаются характеристики схемы в режиме выборки – увеличивается время выборки.

2. Время установки – определяет как долго длится процесс заряда конденсатора до величины входного напряжения. Усилитель А1 служит для уменьшения времени установки при высокоомном источнике входного сигнала (за счет низкого выходного напряжения).

3. Дополнительным источником погрешности является то, что из-за конечности емкости затвор-канал при запирании полевого транзистора от конденсатора отбирается некоторый заряд. Это обуславливает погрешность фиксации напряжения

U_вых= (С_зи /C)U_упр.

Т.к. С_зи приблизительно несколько пикофарад, величина запоминающей емкости должна быть не менее 1 нФ, чтобы точность была около 0,1%.

Лучшие соотношения обеспечивают схемы коммутатора, построенного на основе диодного моста. т.к. вследствие симметрии управляющих сигналов емкостное влияние диодов коммутатора взаимно компенсируется. в этой схеме можно использовать емкость значительно меньших величин, а время установки может быть снижено с 500 нС (для схемы на полевом транзисторе) до 20 нС.

4. Время запаздывания t_зап.

Оно определяется как время задержки между моментом снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием ключа. Эта задержка подвержена значительным флуктуациям, которые называются ошибкой запаздывания t_зап. Из-за наличия этой составляющей момент фиксации напряжения оказывается неопределенным. В рассмотренной схеме уровень управляющего напряжения, при котором происходит запирания коммутатора, зависит от мгновенного значения входного напряжения. Т.к. скорость нарастания управляющего напряжения конечна, при измерении получаются различные значения времени запаздывания, которые можно характеризовать систематической ошибкой запаздывания. Она будет тем меньше, чем круче фронты импульсов управляющего напряжения.

5. Напряжение смещения – может быть сведено к нулю, если ввести общую ООС, охватывающую всю схему.

Рассмотренная схема выпускается в интегральном исполнении фирмой Nationalпод названиемLF398.