2.1.1. Временные диаграмм, поясняющие работу компаратора

Временные диаграммы приведены для компаратора у которого измеряемое напряжение поступает на неинвертирующий вход.

u_вх

U_о

t

u_вых(В)

2.4

0.4

t

t_пк

Рис.2.3

Из временной диаграммы видно, что переключение компаратора происходит за некоторое время t_ПК, начинающийся от момента превышения входным (исследуемым) напряжением опорного напряжения U_О.

Уровни выходного напряжения u_ВЫХ 2,4 В и 0.4 В соответствуют логической единице и логическому нулю.

2.1.2. Компаратор нулевого уровня

Компаратор нулевого уровня – это компаратор у которого опорное напряжение равно нулю.

2.1.3. Применение операционного усилителя в качестве компаратора

ОУ могут применяться в качестве компаратора, при этом необходимо учитывать снижение характеристик компаратора. Выходные уровни таких компараторов соответствуют максимально возможному положительному и отрицательному напряжению на выходе операционного усилителя.

При необходимости изменить уровень выходного сигнала можно использовать различные схемы, например диодно-резистивные цепи.

Рис.2.4

В подобной схеме напряжение на выходе при отсутствии резистивного делителя u_вых.1=U_п.1-U_VD, где – прямое падение напряжения на диоде. C помощью диода исключается появление отрицательного напряжения на выходе.

Резистивный делитель, образованный и , обеспечивает требуемый уровень входного напряжения U_вых.2 при формировании логической единицы.

2.2. Триггеры Шмитта.

Триггеры Шмитта (ТШ) – это пороговые устройства (компараторы), у которых изменение выходного сигнала с высокого уровня на низкий и обратно происходит при разных уровнях входного напряжения.

2.2.1. Симметричный инвертирующий тш

С

u_вых

U⁺ _{выхОУmax}

имметричный инвертирующий ТШ (рис.2.5,а) выполняется на базе ОУ. Он имеет симметричную относительно начала координат передаточную характеристику, приведенную на рис. 2.5,б.

u_вх

u_вых

1

2

3

5’

u₁

u_вх4

R₂

u_{вх 1}

U_отп

u_вх2

U_ср

u_вх

R₁

4

5”

3’’

U^- _{вых. ОУmax}

а

б

Рис.2.5

u_вх.дел=u_вых.тш

u_вх.дел=u₁

R₂

I

R₁

Рис.2.6

В состав триггера Шмитта кроме ОУ входит резистивный делитель напряжения, образованный резисторами и (рис.2.6). Входное напряжение делителя одновременно является выходным напряжением ТШ, т.е. . Выходное напряжение делителя одновременно является напряжением триггера (рис. 2.5,а). Коэффициент передачи делителя:

(2.1)

Определим коэффициент передачи через параметры делителя. Пусть через резисторы делителя проходит ток . Тогда напряжения:

и . (2.2)

После подстановки (2.2) в (2.1) и преобразования получим: . (2.3)

Рассмотрим работу ТШ. Пусть напряжение на входе ТШ равно и на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 1. Напряжение на выходе ТШ , где – максимальное положительное напряжение на выходе ОУ. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ – напряжение с учетом (2.3) равно:

, (2.4)

где – так называемое напряжение срабатывания ТШ. При увеличении входного напряжения, например до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 2. При дальнейшем увеличении входного напряжения до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение , но поскольку выполняется равенство , соответствующее строке 3 таблицы 1, то выходное напряжение ТШ становится неопределенным, но меньшим чем . Это согласно (2.4) приводит к снижению напряжения , поступающего на неинвертирующий вход ОУ. При этом начнет выполняться неравенство строки 2 таблицы 1 и напряжение на выходе ОУ (выходе ТШ) примет значение , т.е. будет равно максимальному отрицательному напряжению на выходе ОУ. Рабочая точка на передаточной характеристике перейдет в положение .

Напряжение на неинвертирующем входе ОУ

, (2.5)

где – так называемое напряжение отпускания ТШ. При дальнейшем увеличении входного напряжения, например до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 4.

При снижении входного напряжения ТШ его переключение произойдет только тогда, когда входное напряжение станет равным напряжению отпускания . Это приведет к смене знака входного дифференциального сигнала ОУ и вместо неравенства 2 таблицы 1 станет выполняться неравенство 1. Это приведет к переходу рабочей точки из положения в положение (рис. 2.5,б).

Уровни входного напряжения – пороги срабатывания и отпускания определяются выражениями (2.4) и (2.5). В случае равенства по абсолютному значению напряжений и также по абсолютному значению равны пороги срабатывания и отпускания, что позволяет говорить о симметрии передаточной характеристики.