Краткие теоретические сведения

        

Аналоговые компараторы предназначены для сравнения двух аналоговых сигналов между собой или одного входного аналогового сигнала с заданным эталонным уровнем. Компараторы представляют собой специализированные ОУ с дифференциальным входом и высоким коэффициентом усиления и быстродействием без ООС. Обычно они изготовляются в виде ИС. На входы компаратора поступают аналоговые сигналы, а с выхода снимаются напряжения, близкие к +U_n или -U_n, т.е. снимается 0 или 1.

Основные параметры компараторов можно подразделить на статические и динамические.

Кстатическим параметрамотносятся:

- пороговая чувствительность — минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал;

- напряжение смещения U_см — определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно заданного положения;

- входные токи I_вх(+)и I_вх(-)— токи, протекающие через входные шины компаратора;

- разность входных токов ΔI_вх = I_вх(-) - I_вх(+) — ток, протекающий через закороченные входы;

- напряжение гистерезиса U_г — разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения;

- коэффициент ослабления синфазного сигнала К_осс — отношение синфазного сигнала U_син к дифференциальному сигналу ΔU_вх, вызывающему срабатывание компаратора:

- входное сопротивление R_вх;

- выходные логические уровни —  и

- выходной ток I_вых — ток в выходной шине компаратора.

Гистерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния  в состояние  происходит при входном напряжении U_BX1, а возвращение из в при напряжении U_BX2. Наличие гистерезиса, как правило, связано с использованием в компараторе ПОС.

Основным динамическим параметром, определяющим быстродействие аналогового компаратора, является время задержки выходного сигнала относительно входного. С увеличением входного сигнала U_BX быстродействие аналогового компаратора увеличивается.

Интегральные схемы компараторов можно подразделить по совокупности параметров на три группы:

- общего применения (t₃ < 300 нc, K_v< 100 дБ);

- быстродействующие (t₃< 30 нc);

- прецизионные (К_v> 100 дБ, U_cm< 3 мВ, ΔI_вх < 10 нА).

Кроме того, компараторы можно подразделить на стробируемые и нестробируемые, а также с памятью и без памяти.

Компараторы общего применения имеют средние характеристики. Однако они, как правило, потребляют меньшую мощность, могут работать при низком напряжении питания и в одном корпусе располагаются до четырех компараторов. Прецизионные компараторы отличаются повышенным коэффициентом усиления, меньшим пороговым напряжением смещения, малыми входными токами.

В отличие от ОУ, в компараторах практически никогда не применяют ООС, так как она снижает стабильность их работы, однако для устранения «дребезга» выходного напряжения иногда вводится ПОС.

Компараторы бывают однопороговые и двухпороговые. Схема однопорогового компаратора и его передаточная характеристика представлены на рис. 5.1, а схема двухпорогового компаратора, представляющая собой триггер Шмитта — на рис. 5.2.

 

Рис. 5.1. Однопороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б).

 

Рис. 5.2. Двухпороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б).

Компаратор (рис. 5.2) охватывается ПОС через делитель напряжения R₁, R₂.

Меняя соотношение делителя R₁, R₂, можно изменять напряжение срабатывания:

Обычно U_вых≈+U_пит или -U_пит.

При R₂ = 0 компаратор становится однопороговым.

Передаточную характеристику можно перемещать влево и вправо подачей дополнительного напряжения U_cm на инверсный вход компаратора (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Двухпороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика при U_см (б).

В качестве компараторов используются микросхемы серий К521, К554, К597, К1401. Микросхема К521САЗ является прецизионным компаратором со стробированием и балансировкой. Микросхема К521СА1 представляет собой два автономных компаратора с одним общим выходом, она может использоваться для сравнения двух аналоговых сигналов. Микросхема К1401СА1 относится к многоканальным, в ее корпусе располагаются четыре компаратора.

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульсной техники, предназначенных для генерирования периодической по­следовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.). Подобно генераторам синусоидальных колебаний, мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения: для формирования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внешнее воздействие, например подача входных сигналов. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего ( ведущего) генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Существует большое разнообразие средств и методов построения схем мультивибраторов. В настоящее время для построения мультивибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении.

Возможность создания мультивибратора на операционном усилителе основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора). Схема симметричного мультивибраторана ОУ приведена на рис. 5.4, а. Ее основой служит компаратор на ОУ с положительной обратной связью (см. рис. 5,2, а), обладающий передаточной характеристикой вида рис. 5.2,б). Автоколебательный режим работы создается благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R.Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 5.4, б — г.

Предположим, что до момента времени t₁напряжение между входами ОУ и₀> 0. Это определяет напряжение на выходе ОУ u_вых = -  и на его неинвертирующем входе u₍₊₎ = - , (рис. 3.8, б, в),где  - коэффициент передачи цепи положительной обратной связи. Наличие на выходе схемы напряжения— обусловливает процесс заряда конденсатора С через резистор Rс полярностью, указанной на рис. 3.8, а без скобок. В момент времени t₁экспоненциально изменяющееся напряжение н инвертирующем входе ОУ (рис. 3.8, г) достигает напряжения на неинвертирущем входе - .Напряжение становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения н выходе ОУ: u_вых = (рис. 5.4, б). Напряжение u₍₊₎ изменяет знак и становится равным (рис. 5.4, в), что соответствуетu₀<0 и u_вых= .

Рис. 5.4. Схема симметричного мультивибратора на ОУ (а) и его временные диаграммы (б-г)

С момента времени t₁начинается перезаряд конденсатора от уровня напряжения - . Конденсатор стремительно перезарядится в цепи с резистором R до уровня  с полярностью напряжения, указанной на рис. 5.4, а в скобках. В момент времени t₂напряжение на конденсаторе достигает значения .Напряжение u₀становится равным 0, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 5.4, б-г). Далее процессы в схеме протекают аналогично.

Частота следования импульсов симметричного мультивибратора

Время t_и можно определить можно определить по длительности интервала t_и1 (рис. 5.4, б), характеризующего перезаряд конденсатора С в цепи с резистором Rи напряжением  от -  до  (рис. 5.4, г). Процесс перезаряда описывается известным из курса электротехники уравнением

где ,

Отсюда

. (5.1)

Положив в выражении (5.1) , находим:

 (5.2)

и

Если принять для ОУ , то соотношения (5.2), (5.3) примут вид

На рис. 5.5, а приведена схема несимметричного мультивибратора на ОУ, для которого . Несимметричному режиму работы отвечают неодинаковые постоянные времени времязадающих цепей мультивибратора по полупериодам. В схеме рис. 5.5, а это достигается включением вместо резистора Rдвух параллельных ветвей, состоящих из резистора и диода. Диод Д₁ открыт при положительной полярности выходного напряжения, а диод Д₂ - при отрицательной. В первом случае , а во втором . Вид кривой выходного напряжения приR">R', показан на рис. 5.5, б. Длительности импульсов t_и1 и t_и2 несимметричного мультивибратора рассчитывают по формуле (5.4) с подстановкой соответствующего значения τ_1,2, а его частоту - по формуле

 

Рис. 5.5. Схема несимметричного мультивибратора на ОУ (а), кривая его выходного напряжения (б).

На выбор коэффициента передачи  и значений сопротивлений резисторов в обеих схемах накладываются условия ограничения по предельно допустимым режимам работы операционного усилителя. Так, коэффициент передачи  задают с учётом максимального допустимого значения напряжения U_omaxпо дифференциальному входу ОУ. В то время как максимальные напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ в мультивибраторах составляют ,максимальному напряжению на дифференциальном входе U_omax соответствует величина 2 , воздействующая в момент переключения схемы. Исходя из этого .Если напряжение питания ОУ Е_к1=Е_к2=Е_ки , то коэффициент передачи выбирают из условия

.

    Выбор значений сопротивлений R, R₁, R₂в схемах осуществляется с учётом максимально допустимого тока I_выхmax операционного усилителя. Выходной ток ОУ образуется из трёх составляющих: тока нагрузки , тока обратной связи по неинвертирующему входу u_вых/(R₁+R₂) и тока обратной связи (u_вых - u_c)/R по инвертирующему входу, максимального в момент переключения схемы. В предположении Е_к1=Е_к2=Е_ки  имеем

. (5.6)

    Для отдельных типов ОУ максимально допустимый ток зависит от полярности выходного напряжения (). В этом случае в качестве тока в качестве тока I_выхmaxвыбирают наименьшее из его значений.

    В схеме рис. 5.5, а условие (5.6) должно выполняться для наименьшего из сопротивлений R', R". Ограничения по максимуму сопротивлений R, R₁вводят для уменьшения влияния нестабильности входного сопротивления R_{вх ОУ} на длительность выходных импульсов и частоту мультивибратора. Исходя из этого, сопротивления R и R₁выбирают в 3-5 раз (а иногда и более) меньшими входного сопротивления ОУ соответственно по инвертирующему и неинвертирующему входам.

    Длительность фронтов генерируемых импульсов определяется временем переключения ОУ при управлении большим уровнем входного сигнала. Достигаемые длительности фронтов зависят от типа используемого ОУ и составляют не более 0,5мкс.

 

Порядок выполнения работы.

 

    Рассчитать триггер Шмитта со смещением со следующими параметрами:

U_см = 1+0,1*N В, U_пор2=4+0,12*N, где N - номер варианта.

    Собрать рассчитанную ранее схему в программе - симуляторе. В качестве источника входного сигнала выбирать согласно таблице 5.1.

Таблица 5.1.

№	Входной сигнал
1	гармонический
2	гармонический
3	треугольный
4	пилообразный
5	трапецеидальный
6	экспоненциальный
7	гармонический
8	гармонический
9	треугольный
10	пилообразный
11	трапецеидальный
12	экспоненциальный
13	пилообразный
14	трапецеидальный
15	экспоненциальный

    Провести моделирование работы триггера Шмитта.

    По полученным временным диаграммам определить напряжение смещения и пороговое напряжение.

    Провести расчеты несимметричного мультивибратора со следующими параметрами:

f=1+0.1*N кГц, где f - частота сигнала на выходе мультивибратора,

N - номер варианта, t_и1*f =0.4+0.03*N.

    Собрать схему несимметричного мультивибратора в программе - симуляторе.

    Провести моделирование её работы.

    По полученным графикам определить частоту следования импульсов и произведение t_и1*f.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать следующее.

– Название и цель работы;

- Расчёт триггера Шмитта;

– Схему триггера Шмитта в программе - симуляторе.

- Временная диаграмма работы триггера Шмитта и значения определённых по ней напряжения смещения и порогового напряжения

- Расчёт несимметричного мультивибратора.

- Схему несимметричного мультивибратора в программе - симуляторе.

- Временная диаграмма работы несимметричного мультивибратора и значения определённых по ней частоты сигнала на выходе и произведение t_и1*f

- Вывод о проделанной работе.

 

Контрольные вопросы

 1. Что называется триггером Шмитта?

2. Каково назначение триггера Шмитта?

3. Напишите формулу для расчёта порогового напряжения триггера Шмитта. 

4. Что называется мультивибратором?

5. Нарисуйте схему несимметричного мультивибратора на ОУ?

6. Изобразите временные диаграммы работы несимметричного мультивибратора.

7. Напишите формулу для расчёта частоты сигнала на выходе несимметричного мультивибратора.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
ИЗМЕРЕНИЕ ВАХ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ДИОДОВ И ТРИОДОВ

Цель лабораторной работы – построение вольтамперных характеристик электровакуумных приборов и определение по этим характеристикам его параметров.

 

Продолжительность работы – 2 часа.