11.4. Компараторы

Цель

1. Исследование схем детекторов нулевого уровня.

2. Исследование схем детекторов ненулевого уровня.

Краткие сведения из теории

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 данном разделе исследуются основные схемы компараторов, построенных на базе операционных усилителей. На рис. 11.7 и 11.8 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.

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. На рис. 11.9 и 11.10 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. Напряжение смещения может задаваться стабилитроном, как показано на рис. 11.11.

Максимальное и минимальное значение выходного напряжения может задаваться при помощи внешних элементов. На рис. 11.12 приведена схема детектора нулевого напряжения с фиксацией уровней выходного напряжения при помощи стабилитрона. Компаратор, показанный на рис. 11.13, 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. 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 её характеристика представлена на рис. 11.14. Для идеального ОУ, имеющего одинаковые напряжения ограничения, положительное значение входного порогового напряжения может быть вычислено по формуле:

Отрицательное значение входного порогового напряжения определяется выражением:

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 ко 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.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ. а). Характеристика выход-вход. Откройте файл с11_007 со схемой, изображенной на рис. 11.15. Включите схему. В полученной на экране характеристике отклонение луча по оси Y (канал В) определяется выходным напряжением Uвых- а по оси Х (канал А) - входным Uвх. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе "Результаты экспериментов" и по характеристике определите пороговое напряжение.

б). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Переведите осциллограф в режим Y/T, установите масштаб напряжения на входе А 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". Определите пороговое значение входного напряжения Uвх и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 2. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ. а). Характеристика выход-вход. Откроите файл с11_008 со схемой, изображенной на рис. 11.16. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе "Результаты экспериментов" и по характеристике определите пороговое напряжение.

б). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Переведите осциллограф в режим Y/T, установите масштаб напряжения на входе А 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". Определите пороговое значение входного напряжения Uвх и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Исследование характеристик компаратора с положительным опорным напряжением. а). Характеристика выход-вход. Откройте файл с11_009 со схемой, изображенной на рис. 11.17. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе "Результаты экспериментов" и по характеристике определите пороговое напряжение.

б). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Переведите осциллограф в режим Y/T, установите масштаб напряжения на входе А 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". Определите пороговое значение входного напряжения Uвх и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 4. Исследование характеристик компаратора с отрицательным опорным напряжением.

а). Характеристика выход-вход. Откроите файл с11_010 со схемой, изображенной на рис. 11.18. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе "Результаты экспериментов" и по характеристике определите пороговое напряжение. б). Осциллограммы входного и выходного напряжений. Переведите осциллограф в режим Y/T, установите масштаб напряжения на входе А 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". Определите пороговое значение входного напряжения Uвх и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте. Значение порогового напряжения запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 5. Исследование характеристик компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном. а). Характеристика выход-вход. Откройте файл с11_011 со схемой, изображенной на рис. 11.19. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе "Результаты экспериментов" и по характеристике определите пороговое напряжение. б). Осциллограммы, входного и выходного напряжения. Переведите осциллограф в ре-

жим Y/T, установите масштаб напряжения на входе А 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". Определите пороговое значение входного напряжения Uвх и сравните его со значением, определенным в предыдущем пункте, а также с напряжением стабилизации стабилитрона. Значение порогового напряжения запишите в раздел "Результаты экспериментов". Эксперимент 6. Исследование характеристик компаратора с фиксацией выходного напряжения. а). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Откройте файл с11_012 со схемой, изображенной на рис. 11.20. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного и выходного напряжения в разделе "Результаты экспериментов". По осциллограммам определите уровни выходного напряжения и пороговое напряжение. б). Осциллограммы входного и выходного напряжения при обратном включении стабилитрона. В схеме рис. 11.20 измените направление включения стабилитрона на обратное. Включите схему. Повторите операции пункта а) и занесите результаты в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 7. Исследование характеристик компаратора с фиксированной зоной входного напряжения. а). Осциллограммы входного и. выходного напряжения. Откройте файл с11_013 со схемой, изображенной на. рис. 11.21. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". Определите пороговые напряжения Uнижн и Uверхн-

Эксперимент 8. Исследование характеристик триггера Шмитта. а). Характеристика выход-вход. Откройте файл с11_014 со схемой, изображенной на рис. 11.22. Включите схему. Зарисуйте характеристику выход-вход в разделе "Результаты экспериментов" и по характеристике определите верхнее и нижнее значение порогового напряжения.

б). Осциллограммы входного и выходного напряжения. Переведите осциллограф в режим Y/T, установите масштаб напряжения на входе А 2 V/div. Включите схему. Зарисуйте полученные осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых напряжения в разделе "Результаты экспериментов". По осциллограммам определите значения пороговых напряжений и сравните их со значениями, определенными в предыдущем пункте. Значения пороговых напряжений запишите в раздел "Результаты экспериментов".

Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на неинвертирующий вход ОУ.

а). Характеристика выход-вход.

6). Осциллограммы.

Эксперимент 2. Исследование характеристик детектора нулевого уровня с подачей сигнала на инвертирующий вход ОУ.

а). Характеристика выход-вход

б). Осциллограммы.

Эксперимент 3. Исследование характеристик компаратора с положительным опорным напряжением.

а). Характеристика выход-вход

б). Осциллограммы.

Эксперимент 4. Исследование характеристик компаратора с отрицательным опорным напряжением.

а). Характеристика выход-вход.

б). Осциллограммы.

Эксперимент 5. Исследование характеристик компаратора с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном.

а). Характеристика выход-вход.

б). Осциллограммы.

Эксперимент 6. Исследование характеристик компаратора с фиксацией выходного напряжения.

а). Осциллограммы при прямом включении стабилитрона.

б). Осциллограммы при обратном включении стабилитрона.

Эксперимент 7. Исследование характеристик компаратора с фиксированной зоной входного напряжения. а). Осциллограммы.

Эксперимент 8. Исследование характеристик триггера Шмитта.

а). Характеристика выход-вход.

б). Осциллограммы.

Вопросы

1. Каковы особенности применения ОУ в схемах компараторов?

2. Перечислите способы построения схем детекторов положительного уровня входного напряжения.

3. Чем определяется точность задания порогов входного напряжения в схемах детекторов уровня на основе ОУ?

4. На чем основана работа компаратора с фиксированной зоной входного напряжения?

5. Можно ли в компараторе на основе триггера Шмитта сделать уровни порогов входного напряжения разными? Если да, то каким образом?