Компаратор напряжения с петлей гистерезиса.

Компаратор является электронным устройством, работающим как ключевая схема, в которой успешно применяется положительная обратная связь для увеличения коэффициента усиления и для получения петли гистерезиса. Наличие положительной обратной связи увеличивает чувствительность компаратора.

 

 

Рис. 3. Схемы сравнения в нулевой точке

 

Если входной сигнал колеблется (изменяется) возле порогового значения, то возможен так называемый дребезг, при котором наблюдаются многократные переключения компаратора.

Подобные явления можно избежать, если характеристика компаратора имеет гистерезис.

Величина входного напряжения, при котором происходит переключение выходного сигнала из высокого в низкий (ВТО – высшая точка опрокидывания) или из положительного в отрицательный определяется выражением:

 

,

где U_ВТО – высшая точка опрокидывания.

 

 

Рис. 5. Схема компаратора с положительной обратной связью

 

Рис. 6. Передаточная характеристика компаратора с положительной

обратной связью при однополярном питании

 

Величина входного напряжения, которое необходимо для переключения компаратора из низкого значения выходного напряжения в высокое или из отрицательного в положительное определится выражением ,

где U_НТО – низшая точка опрокидывания

Ширина петли гистерезиса определяется выражением:

 

.

 

В некоторых случаях наличие петли гистерезиса необходимо для исключения неопределенности момента переключения компаратора, это необходимо для исключения так называемого «дребезга» (колебания входного сигнала в окрестности опорного).

 

Интегрирующая цепь.

 

Интегрирующая цепь представляет собой схему, приведенную на рис. 9.

Для случая U_вых(t₁) = 0 напряжение на конденсаторе U_с связано с протекающим через него током i_с интегральной зависимостью:

.

 

 

Рис. 9. Интегрирующая RC-цепь

 

В графической интерпретации выходное напряжение оказывается пропорциональным площади под кривой входного напряжения.

2.1. На вход схемы рис. 9 подается ступенчатый сигнал. На выходе получим линейно изменяющееся напряжение, график временной зависимости которого приведен на рис. 10.

 

 

Рис. 10. Реакция интегрирующей цепи на ступенчатый сигнал

,

где t = RС - постоянная времени.

Для интегрирующей цепи выполняется условие t = RC >> t_и. Пределами интегрирования являются моменты времени t₁ и t₂ (см. рис. 10).

2.2. На вход схемы рис. 9 подается прямоугольный импульс. Конденсатор С мгновенно зарядиться не может, поэтому в момент поступления переднего фронта импульса все входное напряжение будет приложено к сопротивлению R, а U_вых = U_с» 0. За время действия импульса t_и, конденсатор заряжается по экспоненциальному закону:

.

 

Реакция интегрирующей цепи на импульсный сигнал рис. 11.

 

 

 

К моменту окончания импульса напряжение на выходе достигнет максимального значения, после чего конденсатор начнет медленно разряжаться через внутреннее сопротивление источника и сопротивление R. Через промежуток времени t = 3 t, напряжение на выходе практически будет равен нулю.

2.3. На вход схемы рис. 9 подается линейно-нарастающее напряжение U_вх = at. Реакция интегрирующей цепи на линейно-нарастающий сигнал показана на рис. 12.

 

 

 

Рис. 12. Реакция интегрирующей цепи на линейно-нарастающий сигнал

.

 

30. Дифференцирующая цепь.

Простейшее дифференцирующее звено приведено на рис. 5.

Ток через конденсатор и падение напряжения на нем связаны дифференциальной зависимостью . В результате дифференцирования через сопротивление R протекает ток i_с.

,

где t - постоянная времени цепи.

 

 

1.1.На вход схемы (см. рис. 5) в момент времени t₁

прикладывается ступенчатый входной сигнал.

Поскольку конденсатор С мгновенно зарядиться

не может, скачок напряжения выделяется на

сопротивлении R. При малом значении t заряд

конденсатора происходит

быстро, а напряжение на выходе с такой же

скоростью стремится к нулю.

Реакция RC-цепи на ступенчатый входнойсигнал

(скачок входного напряжения)

показана на рис. 6.

 

1.2. На вход схемы рис. 5 подается линейно-изменяющееся напряжения U_вх = at, где a - скорость нарастания напряжения, В/с. При условии, что t << t_и конденсатор зарядится задолго до окончания входного импульса. После этого изменение входного сигнала ведет к изменению U_с, а напряжение на выходе остается величиной постоянной U_вых = ta. Реакция RC-цепи на линейно-изменяющееся напряжение показана на рис. 7. Значение выходного напряжения пропорционально скорости изменения входного напряжения. С уменьшением t уменьшается выходное напряжение, но уменьшается и время, за которое оно достигается (см. рис. 7).

1.3. На вход схемы рис. 5 подаются прямоугольные импульсы и выполняется условие t << t_и. Воздействие положительного перепада уже описывалось выше. Реакция дифференцирующей цепи на прямоугольный импульс приведена на рис. 8. В момент t₁ на выходе появляется положительный импульс, и по мере заряда конденсатора напряжение на выходе будет стремиться к нулю до окончания входного импульса. С момента окончания входного импульса в цепи действует только напряжение U_с, которое через внутреннее сопротивление источника входного сигнала прикладывается к выходу. Поэтому в момент t₂ на выходе цепи появляется отрицательный импульс, амплитуда которого спадает до нуля по мере разряда конденсатора