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:

> (4.6)

На рисунке 4.4 приведена передаточная характеристика ОУ для случаев b_ос < 1/К_ОУ, b_oc=1/К_ОУ и b_ос > 1/к_ОУ соответственно.

Рисунок 4.4 - Передаточные характеристики ОУ с ПОС при

b_ос < 1/К_ОУ (1), b_oc=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 (зависимость 3),то на передаточной характеристике 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 рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Схема гистерезисного компаратора (а) и его передаточная характеристика (б)

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

(4.7)

Такое состояние схемы является устойчивым и будет поддерживаться до тех пор, пока изменяющееся входное напряжение и_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

= - (4.8)

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

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

(4.9)

(4.10)

Из приведенных выражений видно, что при равенстве абсолютных значений напряжения ограничения на выходе ОУ пороговые напряжения равны по вели­чине, но противоположны по знаку, то есть 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 рисунке 4.6а.

Рисунок 4.6 - Схема гистерезисного компаратора с цепью нелинейной ПОС (а) и его передаточная характеристика (б)

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 рисунке 5а, то есть выражением (4.10). На рисунке 4.6б приведена передаточная характеристика данной схемы сравнения. Из ри­сунка видно, что она несимметрична относительно начала координат.

Асимметрию передаточной характеристике схемы сравнения можно придать (как и в случае однопорогового устройства), используя дополнительные источники смещения. Пример такого решения приведен на рисунке 4.7а. Здесь источник смещения Е_см подключен к неинвертирующему входу ОУ через резистор r_ДЕЛ Напряжение на неинвертирующем входе равно

= (4.11)

a) б)

Рисунок 4.7 - Схема гистерезисного компаратора со смещенной характеристикой (а) и его передаточная характеристика (б)

Тогда напряжения срабатывания и отпускания компаратора определяются выражениями:

(4.12)

(4.13)

Применение гистерезисных компараторов позволяет в случае действия внеш­них помех значительно повысить надежность сравнения напряжений. Так, на рисунке 4.8 показаны временные диаграммы работы однопорогового и гистерезисного компараторов в случае, когда входной сигнал, кроме полезной составляющей, содержит некоторый высокочастотный сигнал помехи. 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.

Рисунок 4.8 - Временные диаграммы работы компараторов в условиях действия внешней помехи: входной сигнал (а), выходной сигнал однопорогового (б) и гистерезисного (в) компараторов

3. Описание лабораторного стенда

В состав лабораторного стенда входит лабораторный стенд на базе компьютера с программой Electronics Workbench.

Рабочее задание

Запустите программу Electronics Workbench.

Задание 1. Получение передаточной характеристики однопорогового компаратора

Для исследования характеристик однопорогового компаратора соберите электрическую схему, изображенную на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Принципиальная электрическая схема

для исследования характеристик однопорогового компаратора

1.1 Задайте значение источника напряжения V1=V2 в соответствии с вариантом. С помощью элементов управления Rr (1 Ом) изменяйте входной сигнал.

1.2 С помощью ползункового регулятора установите порог срабатывания компаратора U_р.= 0В. Результаты запишите в таблицу 1.

1.3 Получить зависимость выходного напряжения от входного Uvix=f(Uvx).

1.3. Повторите п. 1.1-1.2, установив значения порога срабатывания в соответствии с вариантом Up2=……B и Up3=……B.

Таблица 1

№	R1 Setting, %	Uvx, В	Ivx, А	Uvix, В	Ivix, А
Uр1.= 0В
Uр2.= ……В
Uр3.= ……В

Задание 2. Исследование работы одно порогового компаратора

Рисунок 4.10 - Принципиальная электрическая схема

для исследования характеристик однопорогового компаратора

2.1. С помощью элементов управления ВП установите следующий режим изме­рения: форма сигнала - синусоидальная, частота сигнала - 200 Гц, амплитуда входного сигнала А=.... В.

2.2. С помощью ползункового регулятора установите порог срабатывания компаратора U_р= 0 В. На графическом индикаторе появится изображение вход­ного и выходного сигналов компаратора.

2.3. Скопируйте изображение входного и выходного сигналов компаратора в отчет, используя клавишу «Print Screen» на клавиатуре.

Используя изображение входного сигнала на графическом индикаторе ВП, определите с помощью горизонтальной визирной линии ВП пороговое значение входного напряжения U_{ВХ пор} Результат запишите в отчет.

2.4. Повторите п. 2.2-2.3, установив значения порога срабатывания –V1/2 В и + V1/2В.

2.5. Повторите исследование работы однопорогового компаратора при дру­гих формах входного сигнала (треугольная, прямоугольная, пилообразная).

5. Контрольные вопросы

1.Чем схема компаратора отличается от схемы усилителя?

2.Какие выходные напряжения могут формироваться на выходе компаратора?

3.Что такое компараторный режим работы ОУ?

4.Чем объясняется ошибка схемы сравнения, и каким образом ее можно уменьшить в однопороговом компараторе?

6.Как можно изменить порог срабатывания однопорогового компаратора?

7.Как задается смещение передаточной характеристики в гистерезисных компараторах?

8.Какими преимуществами обладает гистерезисный компаратор по сравнению с однопороговым?

9.Насколько точно определены в работе параметры аналоговых компараторов? От чего может зависеть качество полученных результатов?