Лабораторная работа №7. Компараторы
Цель
1. Исследование схем детекторов нулевого уровня.
2. Исследование схем детекторов ненулевого уровня.
3. Исследование характеристик компаратора с различным опорным напряжением.
4. Исследование характеристик триггера Шмидта.
Краткие теоретические сведения
Функциональное назначение компаратора заключается в изменении состояния выхода при переходе входным напряжением некоторого порогового значения. В качестве компаратора может применяться ОУ. При этом ОУ работает преимущественно в области положительного или отрицательного ограничения выходного напряжения, проходя область усилительного режима только вблизи порога.
В данной работе исследуются основные схемы компараторов, построенных на базе операционных усилителей. На рисунках 8.1 и 8.2 приведены схемы и виды характеристик детекторов нулевого уровня, имеющих близкое к нулю пороговое напряжение. Схемы различаются способом подачи входного сигнала на вход ОУ. Использование разных входов ОУ для подачи входного сигнала позволяет реализовать фиксацию уровня входного напряжения положительным или отрицательным перепадом напряжения на выходе компаратора.
Рисунок 8.1 – Схема детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ
На рисунках приводится вид характеристики "выход-вход". По вертикальной оси откладывается выходное напряжение, по горизонтальной оси - входное. Наклон характеристик вызван конечной скоростью нарастания выходного напряжения.
Рисунок 8.2 – Схема детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ
На рисунках 8.3 и 8.4 приведены схемы и виды характеристик детекторов положительного и отрицательного уровней входного напряжения. Пороговый уровень входного напряжения в этих схемах задается величиной напряжения смещения, подаваемого на инвертирующий вход ОУ.
Рисунок 8.3 – Схема компаратора с положительным опорным напряжением
Рисунок 8.4 – Схема компаратора с отрицательным опорным напряжением
Напряжение смещения может задаваться стабилитроном, как показано на рисунке 8.5.
Рисунок 8.5 – Схема компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном
Максимальное и минимальное значение выходного напряжения может задаваться при помощи внешних элементов. На рисунке 8.6 приведена схема детектора нулевого напряжения с фиксацией уровня выходного напряжения при помощи стабилитрона.
Рисунок 8.6 – Схема компаратора с фиксацией уровня выходного напряжения при помощи стабилитрона
Компаратор, показанный на рисунке 8.7, позволяет фиксировать наличие входного напряжения в определенном диапазоне значений. Если входное напряжение изменяется в пределах пороговых значений, устанавливаемых внешними элементами, то выходное напряжение имеет низкий уровень. При выходе за установленные пределы пороговых значений выходное напряжение изменяется на высокий уровень.
Рисунок 8.7 – Схема компаратора с фиксированной зоной входного напряжения
При работе с компараторами могут возникнуть неприятности, проявляющиеся в том, что вместо однократного изменения уровня выходного напряжения при достижении входным напряжением порогового значения, могут иметь место быстрые колебания между уровнями выходного напряжения, особенно в том случае, когда во входном сигнале присутствует значительный шум. При таком явлении может нарушиться нормальное функционирование некоторых типов схем. Можно избежать этого, если характеристика компаратора имеет гистерезис. Одной из схем такого рода является триггер Шмитта. Схема и ее характеристика представлена на рисунке 8.8.
Рисунок 8.8 – Схема триггера Шмидта
Для идеального ОУ, имеющего одинаковые напряжения ограничения, положительное значение входного порогового напряжения может быть вычислено по формуле:
U1=ER2/(R1+R2)
Отрицательное значение входного порогового напряжения определяется выражением:
U2=-ER2/(R1+R2)=-U1
где Е - напряжение ограничения ОУ. Для всех рассмотренных схем анализ их работы можно осуществить по двум характеристикам. Первая из них представляет собой характеристику вход-выход и устанавливает соотношения между входным и выходным напряжением схемы в статическом режиме. Для наблюдения такой характеристики на экране осциллографа необходимо сигнал с канала, подключенного к выходу схемы, откладывать по вертикальной оси, а сигнал с канала, подключенного к входу схемы, - по горизонтальной оси, на вход схемы подается синусоидальное напряжение. Динамику переключения выходного напряжения схемы можно проследить по осциллограммам входного и выходного напряжения. При снятии этой характеристики на вход схемы подается синусоидальное напряжение и двухлучевым осциллографом фиксируется входное и выходное напряжение.