ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КОМПАРАТОРОВ

2.1. Компаратор является устройством сравнения двух сигналов. Если в процессе изменения входных сигналов один превышает другой – компаратор изменяет свое состояние на противоположное. Чаще всего из двух входных сигналов один имеет фиксированное значение, это опорный сигнал – U_оп. Другой сигнал U_вх может непрерывно меняться. Выходной сигнал компаратора, в зависимости от его состояния, принимает значение логического нуля или логической единицы. Таким образом аналоговый компаратор преобразует непрерывный входной сигнал в дискретный (цифровой) 0 или 1. В процессе работы компаратор может перестраиваться на различные уровни срабатывания путем изменения опорного напряжения U_оп.

Аналоговые компараторы широко применяются в измерительных, преобразовательных и регулирующих устройствах. Например, в аналогово-цифровых преобразователях для дискретизации уровня входного сигнала, преобразователях напряжение-частота, сигнализаторах и позиционных регуляторах технологических параметров (температура, давление, положение), в устройствах сортировки деталей по размерным группам, в системах импульсно-фазового управления (СИФУ).

Аналоговые компараторы строятся на основе операционного усилителя (ОУ) с дифференциальным входом.Разработаны специализированные быстродействующие компараторы в видеинтегральных микросхем, например, типа K52ICA2, К554САЗ, K597СA1.

Применяется три основные разновидности компараторов: однопороговые, регенеративные и двухпороговые.

2.2. Выходной сигнал компаратора должен быть нормирован в соответствии с уровнем логического нуля и единицы для типовых логических элементов, подключаемых к выходу компаратора.

У однопорогового и регенеративного компаратора величина выходного напряжения определяется напряжением стабилизации стабилитрона (U_ст = 4,7 В для КС147А).

У двухпорогового компаратора его выходное напряжение U_вых определяется максимальным выходным напряжением ОУ U_Оумакс, которое зависит от напряжения питания U_вых = U_ОУмакс » (U_П – 1,5) В.

2.3. Зона переключения у регенеративного компаратора зависит от величины R₂, R₅, U_оп. (Формулы 2.1 – 2.3), причем с увеличением U_оп DU уменьшается.

У двухпорогового – от величины R₁, R₅. (Формулы 2.4 - 2.6) и не зависит от U_оп.

2.2. Точность сравнения компаратора характеризуется порогом чувствительности U₀, то есть напряжением, на которое необходимо превысить уровень опорного напряжения, чтобы компаратор изменил свое состояние на противоположное. Порог чувствительности зависит от коэффициента усиления ОУ, напряжения смещения нуля ОУ, а также температурного и временного дрейфа этого напряжения.

2.3. Быстродействие компаратора характеризуется "временем восстановления" t_в. Это промежуток времени от момента подачи ступенчатого нормированного перепада входных напряжений, до момента, когда выходное напряжение достигнет уровня порога срабатывания U_пор логического элемента (для ТТЛ - элементов U_пор » 1,5 В). Нормированный перепад между опорным и входным напряжениями при определении t_всоставляет 5 мВ. Время восстановления компаратора можно разбить на две составляющие: время задержки t_зи время нарастания t_н выходного напряжения до порога срабатывания U_пор логического элемента (рисунок 2.1).

2.4. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить t_вменьше 1 мкс, причем основной его составляющей будет время задержки t_з. Это объясняется тем, что в режиме перегрузки, обычном для компаратора, насыщаются транзисторы усилительных каскадов ОУ. Поэтому после снятия перегрузки требует­ся значительное время для рассасывания накопленного в базах тра­нзисторов заряда. В специализированных интегральных компарато­рах за счет дополнительных мер время восстановления составляет менее 10 нс.

Однако использование ОУ с навесными элементами вместо ин­тегральных компараторов оказывается предпочтительным, когда тре­буется высокая точность сравнения сигналов (десятки микровольт), малое потребление мощности и широкие функциональные возможности схемы.

2.2. Однопороговый компаратор

2.2.1. Назначение элементов в схеме

Схема компаратора (К) содержит ОУ на интегральной микросхеме DA1 и внешние дополнительные резисторы и диоды (рисунок 2.2). Входное напряжение U_вхиопорное напряжение U_опподается на разные входы ОУ через резисторы R1 и R3, которые предназначены для выравнивания входных токов ОУ и уменьшения смещения нулевого уро­вня ОУ. Диод VD1 исключает отрицательное напряжение на выхо­де К, а стабилитрон VD2нормирует единичный уровень U¹_выхвыходного напряжения. Резистор R4 ограничивает ток стабилитрона VD2, a R5 обеспечивает согласование К по сопротивлению с логи­ческими элементами ТТЛ при нулевом уровне U⁰_вых. Изменение заданного значения опорного напряжения обеспечивается потенциометром R2.

2.2.2. Принцип действия

 

В исходном состоянии при U_вх= 0 на выходе ОУ создается максимальное положительное напряжение U_ОУ = + U_max за счет опорного напряжения U_оп = + U_зад, поданного на неинвертирующий вход ОУ. На выходе К в этом случае единичный уровень U¹_вых = U_ст.

При увеличении U_вх до значения U_вх ³ U_оп происходит переключение К, напряжение на выходе ОУ меняет знак U_ОУ = - U_max, напряжение на выходе К становится близким к нулю U⁰_вых » 0. Статическая характеристика компаратора U_вых = f (U_вх) приведена на рисунке 2.3.

В общем случае переключение К происходит при входном напряжении переключения U_п, отличающемся от опорного U_п = U_оп ± U₀, где U₀ – порог чувствительности К.

 

2.2.3. Точность срабатывания

 

Для повышения точности срабатывания К необходимо увеличить коэффициент усиления k_u ОУ и уменьшить напряжение смещения нуля U_см ОУ, например, путем предварительной настройки ОУ. Практически U₀ = 10 ¸ 30 мВ.

 

2.2.4. Быстродействие

Так как переключение компаратора происходит в линейной зоне ОУ, то время переключения будет зависеть от скорости изменения входного напряжения.

 

2.3. Регенеративный компаратор

 

2.3.1. Назначение элементов в схеме

Схема регенеративного компаратора отличается введением цепи положительной обратной связи (ПОС) R6 – VD3 (рисунок 2.4.). За счет этой цепи обеспечивается лавинообразный процесс переключения К и существенно повышает его быстродействие. При этом время переключения t_п не зависит от скорости изменения входного напряжения.

 

2.3.2. Принцип действия

 

В исходном состоянии (при U_вх= 0) на неинвертирующий вход ОУ подается с выхода К сигнал U_ос ПОС, к который суммируется с U_оп. В связи с этим при увеличении U_вх переключение К произойдет при верхнем пороге U_в, когда U_вх превысит не только U_оп, и сигнал U_ос:

(2.1.)

После переключения компаратора сигнал обратной связи исчезает, так как U_вых = U⁰_вых = 0.

При уменьшении входного сигнала обратное переключение К происходит при нижнем пороге U_н, близком к опорному напряжению:

(2.2)

Таким образом, статическая характеристика регенеративного компаратора (рисунок 2.5.) имеет гистерезис или зону переключения, которая определяется выражением:

(2.3)

 

2.3.3. Зона переключения компаратора

 

Эта зона при перестройке компаратора на различные уровни срабатывания не остается постоянной, а уменьшается с увеличением U_оп, что является недостатком схемы. Для сохранения зоны переключения при изменении настройки К требуется регулировка сопротивления R6 и коррекция U_оп.

 

2.3.4. Применение

 

Регенеративный компаратор применяется при малых скоростях изменения входного сигнала и в условиях действия помех, влияние которых уменьшается за счет гистерезиса характеристики компаратора.

 

2.4.1. Двухпороговый компаратор

 

2.4.1. Назначение элементов в схеме

 

Состояние двухпорогового компаратора изменяется два раза при увеличении входного сигнала. Схема такого компаратора на основе одного ОУ содержит цепь отрицательной обратной связи (ООС) в виде диодного моста VD1 – VD4 с источниками напряжения смещения E (рисунок 2.6.). Резисторы R5 и R6 ограничивают ток смещения. Входной сигнал U_вх и опорное напряжение U_оп подаются на один инвертирующий вход ОУ через резисторы R1 и R3. При этом для вычитания сигналов знак U_оп должен быть противоположен знаку U_вх. Для индикации состояния К используются светодиоды VD7, VD8, включенные через R7, VD5, VD6.

 

2.4.2. Принцип действия

 

В исходном состоянии (при U_вх= 0) напряжение U_вых = + U_max, так как на инвертирующем входе ОУ имеется - U_оп. При увеличении U_вх первое переключение К происходит при нижнем пороге U_вх = U_н, когда входной ток I₁ превысит ток I₂, отдаваемый в мост цепью смещения. Диоды в цепи ООС открываются, эквивалентное сопротивление этой цепи становится малым, а коэффициент передачи k_u = R_ос /R₁ » 0, в связи с чем U_вых = 0. При дальнейшем увеличении U_вх это состояние К сохраняется, а затем при верхнем пороге переключения U_вх = U_в происходит второе переключение К, тогда U_вых = U_ОУ = - U_max.

 

2.4.3. Зона переключения

Пороги срабатывания U_н, U_в и зона переключения DU компаратора при RI = R3, R5 = R6 определяются выражениями :

, (2.4.)

 

, (2.5.)

 

, (2.6.)

 

где U_д = 0,65 - 0,7 В - падение напряжения на открытом диоде. Как видно из этих выражений и статической характеристики (рисунок 2.7), зона переключения двухпорогового К не зависит от уровня срабаты­вания и опорного напряжения U_оп, что является благоприятным фа­ктором при перестройке компаратора.

 

2.4.4. Применение

Двухпороговые компараторы могут применяться в схемах трехпозиционных регуляторов, для сигнализации технологических параметров и сортировки деталей по трем признакам "норма", "меньше", "больше".

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯРАБОТЫ

 

3.1. Собрать на стенде с помощью перемычек схему однопорогового компаратора.

 

Рисунок 2.1 Рисунок 2.2

 

Рисунок 2.3

 

 

Рисунок 2.4 Рисунок 2.5

 

Рисунок 2.6 Рисунок 2.7

Рисунок 3.1.

3.2. Снять и построить статическую характеристику компаратора U_вых= f (U_вх)для одного значения опорного напряжения U_оп. При снятии характеристики необходимо постепенно увеличивать U_вхрегулятором напряжения U₁до момента переключения светодиодов VD 10 и VD 11. Предварительно установить опорное напряжение U_оп регулятором напряжения U₂ в соответствии с вариантами (таблица 3.1.).

Таблица 3.1.

До переключения светодиодов (при U_вх = 0) и в момент переключения зафиксировать с помощью вольтметра напряжение переключения U_п на входе компаратора U_вх = U₁ = U_пи на его выходе U_вых = U₄,а также на выходе операционного усилителя U_ОУ = U₃. Результаты измерений занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2.

По результатам измерений определить порог чувствительности ком­паратора U₀ .

3.3. Снять переходный процесс на выходе компаратора и определить время восстановления t_в.

Для этого довести входное напряжение U_вх до значения U_вх = 100 мВ. Затем скачком подать опорное напряжение U_оп(спомо­щью S2), предварительно установив значение U_оп =105 мВ.

Зафиксировать с помощью осциллографа переходный процесс U_вых = f(t), используя внешний запуск развертки луча напряжением U₂. Перенести график U_вых = f(t) на кальку и определить время t_в, oт момента подачи напряжения U₂ до момента достижения U_вых = 1,5 В.

3.4. Собрать на стенде схему регенеративного компаратора.

3.5. Снять и построить статическую характеристику U_вых = f (U_вх) для двух значений опорного .напряжения U_оп1 в соответствии с вари­антом задания по п. 4.2. и U_оп2 = U_оп1 + 1 В. Дляэтого при постепен­ном увеличении входного напряжения U_вх = U₁зафиксировать зна­чение верхнего порога переключения компаратора U_вх = U_в; за­тем при уменьшении U_вх зафиксировать значение нижнего порога переключения U_вх = U_н.

Моменты переключения определяются по изменению состояний светодиодов. Определить величину зоны переключения DU = U_в - U_н. Результаты измерений занести в таблицу 3.3.

Таблица 3.3.

3.6. Произвести расчет и построить совместно с эксперимен­тальной теоретическую статическую характеристику компаратора, используя выражения (2.1.), (2.2.), (2.3.).

3.7. Собрать на стенде схему двухпорогового компаратора.

3.8. Снять и построить статическую характеристику компа­ратора по аналогии с п. 3.5. В качестве выходного напряжения U_вых берется напряжение U₃ на выходе операционного усилителя. Резуль­таты измерений занести в таблицу 3.4. (аналогично таблице 3.3.).

3.9. Произвести расчет и построение совместно с экспериментальной теоретической характеристики компаратора, используя выражения (2.4), (2.5), (2.6). Результаты занести в таблицу 3.4.

3.10. Произвести сравнение экспериментальных и расчетных характеристик компараторов и оценить причины их расхождения.