Исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является:

• ознакомление с характеристиками аналоговых компараторов напряжения;

• исследование работы однопорогового компаратора;

• исследование работы гистерезисного компаратора;

 

СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

• назначение, принцип действия и классификация аналоговых компараторов

[1, с. 92-100],

• особенности работы операционного усилителя (ОУ) в качестве схемы сравнения аналоговых сигналов [2, с. 349-354],

• принципы построения и характеристики однопороговых компараторов на основе ОУ [2, с. 354-359],

• принципы построения и характеристики гистерезисных компараторов на основе ОУ [2, с. 359-367].

Компаратором называется устройство сравнения двух аналоговых сигналов, один из которых может быть задан как эталонный. При этом на выходе устройства формируются только два значения выходного сигнала: напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U_B, если разность между входными сигналами положительна и, наоборот, низкий уровень U_H, если разностное напряжение отрицательно. Эти условия записываются следующим образом:

⎧ UВ при UВХ 1 > UВХ 2 или Δ UВХ >0

^U_ВЫХ ⁼_⎨ . (7.1)

⎩ UН при UВХ 1 < UВХ 2 или Δ UВХ <0

В общем случае напряжение U_ВЫХ может отличаться как по величине, так и по знаку. На практике наибольшее распространение получили устройства, формирующие на выходе либо напряжения противоположной полярности при практически равных абсолютных значениях, либо напряжения одной полярности. Первый случай характерен для использования в качестве схемы сравнения операционного усилителя (ОУ), второй – при использовании специализированных интегральных схем. Во втором случае выходные напряжения компаратора согласованы по величине и полярности с сигналами, используемыми в цифровой технике.

Поэтому можно сказать, что входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, а выходной – цифровой. Вследствие этого компараторы часто используются в качестве элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами.

На рис. 7.1 приведена схема инвертирующего усилителя без обратной связи и его передаточная характеристика.

 

Пока входной сигнал удовлетворяет соотношению:

UОГР− UОГР+

< U_ВХ <, (7.2)

KОУ KОУ

где U_ОГР+ и U_ОГР- – положительный и отрицательный уровни ограничения выходного сигнала ОУ, а K_ОУ – коэффициент усиления ОУ, схема работает в линейном режиме и выходной сигнал изменяется пропорционально входному.

При нарушении условия (7.2) ОУ переходит в режим ограничения, и выходное напряжение может принимать одно из двух предельных значений: U_В=U_ОГР+ или U_Н=U_ОГР-. Пусть абсолютные значения уровней ограничения выходного сигнала ОУ равны | U_ОГР+ | = | U_ОГР- | =U_ОГР. Тогда при использовании ОУ в качестве компаратора должно выполняться соотношение:

Δ U_ВХ

K

U

ОГР

>

. (7.3)

ОУ

В рассмотренной схеме (рис.7.1) эталонный уровень напряжения, с которым сравнивается входной сигнал, равен нулю и ее часто называют детектором нуля сигнала или схемой определения прохождения напряжения через нуль.

Диапазон значений входного сигнала, соответствующий условию (7.2), является зоной неопределенности компаратора и определяет его погрешность. Абсолютная величина этой погрешности равна:

UОГР

Δ =. (7.4)

KОУ

Для уменьшения погрешности компаратора необходимо уменьшить интервал неопределенности входных напряжений. Это можно обеспечить одним из следующих способов:

• использование ОУ с большим коэффициентом усиления;

• введение в схему положительной обратной связи (ПОС).

Из теории известно, что коэффициент передачи усилителя при введении ПОС K_ПОС описывается выражением:

K

KПОС =, (7.5)

1− K ⋅b_ОС

где K_ОУ – коэффициент передачи схемы без обратной связи (ОС), а b_ОС – коэффициент передачи цепи ОС.

Из (7.5) следует, что при b_ОС=1/ K_ОУ коэффициент усиления схемы будет равен бесконечности, а погрешность компаратора – нулю. На практике это условие трудно выполнимо из-за разброса параметров и нестабильности характеристик ОУ. Поэтому погрешность компаратора не может быть устранена полностью, однако ее удается существенно снизить.

 

Однопороговый компаратор.

Однопороговыми называются устройства сравнения, для которых коэффициент усиления используемого усилителя всегда остается положительным (К_ОУ >0). Из этого следует, что при работе такого устройства всегда присутствует некоторая область неопределенности входного напряжения, т.е. существует погрешность определения уровня входного напряжения. В качестве однопороговых устройств сравнения могут использоваться ОУ без цепей ОС или с положительной ОС, для которой коэффициент передачи обратной связи удовлетворяет неравенству:

b_ОС ≤. (7.6)

КОУ

Анализируя схему, приведенную на рис.7.1 а, можно сказать, что ее срабатывание происходит в момент равенства нулю напряжения между инвертирующим и неинвертирующим входами ОУ. Используя данное свойство указанной схемы, можно легко построить на ее основе устройство сравнения входного напряжения с некоторым наперед заданным эталонным уровнем напряжения.

Для этого достаточно неинвертирующий вход ОУ (рис.7.1а) подключить к общей шине устройства через источник ЭДС Е_ЭТ абсолютная величина которого и знак соответствуют требуемому эталонному уровню сравнения (рис. 7.2а). В этом случае при идеальном ОУ (R_BX → ∞) напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входами достигнет нулевого значения, когда уровень и полярность входного напряжения u_ВХ будут в точности равны параметрам эталонного источника Е_ЭТ. На рис.7.2. бв показаны передаточные характеристики компаратора для случаев Е_ЭТ >0 и Е_ЭТ <0 соответственно. Напряжение Е_ЭТ называют порогом срабатывания устройства сравнения.

 

Если в схеме на рис. 7.2 а вместо источника эталонного напряжения использовать второе входное напряжение, получится схема сравнения двух напряжений. Пренебрегая погрешностью, обусловленной наличием диапазона неопределенности входного напряжения, можно сказать, что переключение компаратора будет происходить в момент равенства входных напряжений, как по абсолютному значению, так и по знаку. Схема такого устройства и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 7.3.

 

Гистерезисный компаратор.

Гистерезисными называют схемы сравнения, у которых передаточная характеристика неоднозначна. Применительно к ОУ это возможно только в том случае, когда усилитель охвачен цепью ПОС с коэффициентом передачи, удовлетворяющим условию:

b_ОС >. (7.6)

КОУ

u

ВХ

1

R

ВХ

1

u

ВЫХ

DA

+

U

ОГР

U

-

ОГР

R

ВХ

2

u

ВХ

2

u

ВХ

u

ВЫХ

t

t

u

ВХ

1

u

ВХ

2

0

0

а) б)

 

Рис.7.3.Однопороговая схема сравнения двух напряжений (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

 

На рис.7.4 приведена передаточная характеристика ОУ для случаев b_ОС<1/К_ОУ, b_ОС=1/К_ОУ, и b_ОС>1/К_ОУ соответственно.

 

Рис.7.4. Передаточные характеристики ОУ с цепью ПОС при b_ОС<1/К_ОУ (1), b_ОС=1/К_ОУ (2), и b_ОС>1/К_ОУ (3)

 

Очевидно, что увеличение коэффициента передачи цепи ПОС фактически приводит к повороту исходной характеристики ОУ вокруг начала координат по часовой стрелке. При этом если b_ОС=1/К_ОУ, то на передаточной характеристике (зависимость 3) появляется область неоднозначного соответствия между входным и выходным напряжением – гистерезис. Это позволяет построить устройства, у которых напряжения срабатывания и отпускания не равны между собой. Принципиальная схема такого устройства сравнения и ее передаточная характеристика приведены на рис.7.5.

Предположим, что в некоторый момент времени входное напряжение схемы равно нулю, а на ее выходе присутствует напряжение положительной полярности +U_ОГР. Тогда к неинвертирующему входу ОУ приложено положительное напряжение

UОГР ⋅R2

UВХ Н =. (7.7) R 1+ R 2

 

Такое состояние схемы является устойчивым и будет поддерживаться до тех пор, пока изменяющееся входное напряжение u_ВХ не увеличится до этого же уровня. В этот момент произойдет изменение выходного напряжения ОУ от +U_ОГР до –U_ОГР. и на неинвертирующем входе ОУ установится напряжение

UОГР ⋅R2

UВХ Н = −. (7.8)

R 1+ R 2

Данное состояние также будет устойчивым до тех пор, пока входное напряжение u_ВХ не уменьшится такого же уровня.

Таким образом, напряжения срабатывания и отпускания в рассматриваемой схеме определяются следующими выражениями:

U^ОГР ⋅ R 2

U_СР = +, (7.9)

R 1+ R 2

U^ОГР ⋅ R 2

U_ОТП = −. (7.10)

R 1+ R 2

Из приведенных выражений видно, что при равенстве абсолютных значений напряжения ограничения на выходе ОУ пороговые напряжения равны по величине, но противоположны по знаку, т.е. передаточная характеристика устройства симметрична относительно начала координат.

Для получения различных напряжений срабатывания и отпускания в цепи ПОС ОУ необходимо использовать четырехполюсник, коэффициент передачи которого зависит от полярности его входного напряжения. Пример такого устройства приведен на рис. 7.6 а.

В данном случае коэффициент передачи цепи ПОС для положительных выходных напряжений ОУ практически не зависит от уровня этого напряжения и определяется падением напряжения на диоде VD, смещенном в прямом направлении. При отрицательных выходных напряжениях диод VD заперт и напряжение отпускания определяется как и в схеме на рис.7.5а, т.е. выражением (7.10). На рис. 7.6 б приведена передаточная характеристика данной схемы сравнения. Из рисунка видно, что она несимметрична относительно начала координат.

U

ВХ

R

ВХ

U

ВЫХ

DA

R2

U

ВЫХ

U

ВХ

U

+

ОГР

-

U

ОГР

0

R1

U

СР

U

ОТП

VD

а) б)

Рис.7.6. Схема гистерезисного компаратора с цепью нелинейной ПОС (а) и его передаточная характеристика (б)

 

Асимметрию передаточной характеристике схемы сравнения можно придать (как и в случае однопорогового устройства), используя дополнительные источники смещения. Пример такого решения приведен на рис.7.7 а. Здесь источник смещения Е_СМ подключен к неинвертирующему входу ОУ через резистор R_ДЕЛ. Напряжение на неинвертирующем входе равно

E / R +U / R2

U = 3 GOXsK217HKXctXqeJA/aYcOyUGNH65rK4/bkDLyNOK4W6cuwOR7W5+/d/fvXJiVjbm+m1TOoSFP8 D8MvvqBDIUx7f2IbVGtAHol/Kt4iSZ9A7SU0B13k+pK9+AEAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEA toM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQA BgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQA BgAIAAAAIQCq7krFWQIAAMwFAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQIt ABQABgAIAAAAIQDJta/W2gAAAAMBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAALMEAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQ SwUGAAAAAAQABADzAAAAugUAAAAA "> СМ ДЕЛ ВЫХ.

ВХ Н 1 / R 1+1 / R 2 +1 / R_ДЕЛ (7.11)

U

ВХ

U

ВЫХ

DA

R2

U

ВЫХ

U

ВХ

U

+

ОГР

U

-

ОГР

0

R1

U

СР

U

ОТП

R

ДЕЛ

E

СМ

R_ВХ

а) б)

Рис.7.7. Схема гистерезисного компаратора со смещенной характеристикой (а) и его передаточная характеристика (б)

 

EСМ / RДЕЛ + UОГР / R 2 UСР =, 1 / R 1+1 / R 2 +1 / RДЕЛ

(7.12)

Тогда напряжения срабатывания и отпускания компаратора определяются выражениями:

EСМ / RДЕЛ −UОГР / R2

U_ОТП = ^. (7.13)

1/ R1+1/ R2 +1/ R_ДЕЛ

Применение гистерезисных компараторов позволяет в случае действия внешних помех значительно повысить надежность сравнения напряжений. Так, на рис. 7.8 показаны временные диаграммы работы однопорогового и гистерезисного компараторов в случае, когда входной сигнал кроме полезной составляющей содержит некоторый высокочастотный сигнал помехи.

Рис

.7.8

.

Временные

диаграммы

работы

компараторов

в

условиях

действия напряжения помехи: входной сигнал (а) выходной сигнал однопорогового (б) и гистерезисного (в) компараторов

 

Очевидно, что в случае использования однопороговой схемы сравнения на выходе устройства будет сформировано несколько выходных импульсов (так называемый «дребезг» выходного напряжения), затрудняющих получение однозначного результата. В случае использования гистерезисного компаратора с правильным выбором напряжений срабатывания и отпускания этого удается избежать и получить на выходе однозначный результат сравнения.