ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАРАТОРА

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАРАТОРА.

Цель работы: Изучить устройство и работу амплитудного компаратора.

Приобрести навыки компьютерного моделирования радиоэлектронных устройств с помощью программы ElectronicsWorkbench и навыки проведения натурного эксперимента и работы с радиоизмерительными приборами. С помощью натурного эксперимента подтвердить репрезентативность компьютерного моделирования.

Приборы и материалы: ПК 486 модели, дискета 3,5``, макет амплитудного компаратора, генератор низкочастотный Г3-112, электронный милливольтметр В3-38 (В3-13), двухлучевой осциллограф С1-55, соединительные 50-омные коаксиальные кабели.

Краткая теория. Компаратор – это устройство сравнения. Компараторы бывают амплитудные, частотные, временные. Компараторы играют очень важную роль в электронике, являясь элементами многоразрядных ЦАП, на базе компаратора можно построить генератор прямоугольных импульсов, устройства, управления углом открытия тиристоров в регулируемых выпрямителях и многие другие элементы автоматики. Но самое главное, что компаратор – это одноразрядный ЦАП. Это открывает более широкие перспективы применения, являясь мостом между аналоговой и цифровой техникой.

Мы будем изучать простейший амплитудный компаратор, работающий только с положительной полярностью сигнала. Принцип его работы заключается в следующем. В тот момент, когда напряжение сигнала, поступающего на инвертирующий вход, становится равным опорному напряжению, компаратор резко опрокидывается и пребывает в этом состоянии до тех пор, пока уровень сигнала вновь не сравняется с опорным напряжением. В этот момент компаратор вновь опрокидывается и возвращается в исходное состояние. Таким образом,

в моменты перехода уровня сигнала через уровень опорного напряжения компаратор выдаёт на выходе прямоугольные импульсы, амплитуду которых при желании можно ограничить на уровне 5В для удобства сопряжения с цифровыми микросхемами. Высокая скорость опрокидывания обеспечивается насыщением операционного усилителя за счёт цепи положительной обратной связи.

Компаратор сравнивает напряжение сигнала на одном входе с опорным напряжением, поданным на его другой вход. При этом на выходе компаратора отрабатывается двоичный уровень напряжения, значение которого .позволяет судить о том, больше или меньше напряжение исследуемого сигнала по отношению к опорному.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель, на один из входов которого подан входной сигнал, а на другой — опорное напряжение (рис,.11.1). Из передаточной характеристики ОУ (см. рис. 8.3) легко видеть, что если напряжение входного сигнала превосходит опорное напряжение, то на выходе ОУ устанавливается низкий уровень Uнас—, определяемый отрицательным напряжением насыщения, в противном случае—высокий уровень Uнас+ равный положительному

Рис..1 .

Компаратор однополярных сигналов на ОУ

Рис..2.

Иллюстрация

работы

компаратора

однополярных

сигналов

напряжению насыщения. Операционный усилитель входит в насыщение всякий раз, когда разностный сигнал на его входах (Vд= Eвх— Еоп) по модулю превосходит некоторую величину

где К0 — коэффициент усиления ОУ. Такои компаратор фактически определяет моменты равенства сигналов (Евх.± ε±) и Еоп. При больших коэффициентах усиления ОУ величиной ε±можно пренебречь. Так, если К0=105, Uнас± = ± 10 В, то ε±= ± 10/105 В = ± 100 мкВ.

На рис. 11.2 приведены входной сигнал, постоянное опорное напряжение и отрабатываемый анализируемым компаратором выходной сигнал. На интервалах времени, когда Uвх>EОП выходной сигнал равен Uнас—. При

Uвх<EОП напряжение на выходе компаратора положи-

тельно и равно Uнас+ . Переход Uвых из одного состояния в другое определяет моменты равенства входного и опорного

напряжений. Кроме того, этот переход показывает, в каком направлении Евх пересекает уровень опорного напряжения. Так, изменение Uвых от Uнас— до Uнас+ говорит о том, что входной

сигнал пересекает уровень опорного напряжения, уменьшаясь по величине.

Вкачестве компаратора может применяться и ОУ, на неинвертирующий вход которого подается исследуемый сигнал, а на инвертирующий — опорный. Выход такого компаратора будет в состоянии Uнас+ когда Евх > Еоп, и в состоянии Uнас—, если Евх < Еоп . Переход же из состояния Uнас— в состояние Uнас+ происходит всякий раз, когда входной сигнал пересекает уровень опорного напряжения, увеличиваясь по величине.

Вреальных схемах компараторов порог срабатывания отличается от значения Еоп задаваемого источником опорного напряжения. Это отличие определяется суммарной величиной, слагаемыми которой являются найденная из (11.1) величина ε± а также ошибки, возникающие за счет конечных входных токов ОУ, напряжения смещения, нуля есм0, синфазного сигнала, приведенного ко входу усилителя ∆Uc. Особенно велика абсолютная погрешность, вносимая синфазным входным сигналом,

укомпаратора однополярных сигналов при больших Еоп. Рассмотренные компараторы обладают следующим

существенным недостатком. В реальных ситуациях на входе компаратора действует,не только полезный сигнал, но и некоторый шум, который является, например, следствием неизбежных наводок на подводящих проводах (рис. 11.3, а). На рисунке напряжение шумов условно изображено в виде генератора напряжения Еш, включенного последовательно с генератором полезного сигнала Евх Непосредственно на вход ОУ воздействует теперь суммарный сигнал. Хотя амплитуда помех существенно ниже амплитуды полезного сигнала, при приближении Евх к опорному напряжению будет наблюдаться многократное переключение компаратора, если только частота шума значительно превосходит частоту полезного

сигнала. В приведенной на рис. 11.3, б ситуации наблюдается четыре ложных срабатывания компаратора, вызванных наличием напряжения шума.

С целью увеличения помехоустойчивости компаратора на ОУ в последнем реализуется положительная обратная

связь (ПОС), которая осуществляется путем подачи на неинвертирующий вход некоторой части напряжения Uвых (рис. 11.4).

Рис. 11.3. Входные сигналы компаратора при воздействии помех (а) и возникающие ложные срабатывания (б)

В предыдущих схемах компаратора уровень опорного напряжения -предполагался фиксированным. В' схеме компаратора с ПОС значение опорного напряжения, воздействующего непосредственно на неинвертирующий вход ОУ, зависит от состояния последнего. Если выход операционного усилителя находится в состоянии Uнас+ то переключение компаратора в состояние Uнас— происхо-

в котором предполагается, что Uнас—<0. На основании (11.2) и (11.3) легко определить зону гистерезиса

Очевидно, что зона гистерезиса определяет величину помехоустойчивости схемы, поскольку возврат компаратора в предыдущее состояние произойдет только в том случае, если сигнал уменьшится на величину Uг. В схемах компараторов с ПОС при значительных уровнях помех отсутствуют ложные срабатывания (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Отработка выходного напряжения компаратором с ПОС при наличии помех

Наряду с повышением помехоустойчивости компаратора положительная обратная связь приводит к увеличению скорости его переключения за счет возникновения регенеративного процесса. Пусть, например, Евх< Uср -Тогда дифференциальный сигнал на входе ОУ Vд < О (Vд= Евх — Uср) и Uвых= Uнас+. Если теперь Евх станет несколько больше Uср, то дифференциальный сигнал изменит знак .(Vд станет больше 0) и ОУ начнет переключаться в противоположное состояние.

Теперь часть Uвых, подаваемая на вход ОУ, станет меньшей, вследствие чего Vд еще больше возрастет, что приведет к еще большему изменению и т. д.. Благодаря ПОС в схеме как только начинает изменяться Uвых возникает регенеративный процесс. В итоге схема переключается в состояние Uвых =

— . По аналогии можно пояснить переход компаратора из состояния, Uнас— в состояние Uнас.

Хотя компараторы легко реализуются на одном ОУ, в интегральной схемотехнике часто используются и специально разработанные микросхемы компараторов, которые по сравнению с компараторами на ОУ имеют ряд преимуществ. Прежде всего, они характеризуются существенно большей скоростью переключения. Это достигается благодаря специальным схемотехническим приемам, обеспечивающим быстрый выход каскада из режима насыщения. Кроме того, выходной сигнал компаратора изменяется в пределах, позволяющих непосредственно управлять логическими элементами.

(11.4)

Предлагаемый в данной лабораторной работе компаратор построен на базе операционного усилителя µА741 (140УД7) и может ограничивать сигнал как по амплитуде, так и по длительности. Источником опорного напряжения служит

регулируемый делитель, подключенный последовательно к двум стабилизаторам напряжения +9В и –9В. Этим делителем из двух резисторов сопротивлением по 510 кОм и включённым между ними переменным резистором с номиналом 1 Мом устанавливается порог срабатывания компаратора, а резистором 2 кОм - уровень возвращения компаратора в исходное состояние, то есть глубину положительной обратной связи. С увеличением длительности прямоугольных импульсов напряжение на конденсаторе меняется. Поэтому меняется (увеличивается) напряжение возврата компаратора в исходное состояние.

Вот его принципиальная электрическая схема.