Тема: Исследование аналогового компаратора

Цель работы:

Изучение схем, основных параметров и характеристик аналоговых компараторов на операционных усилителях.

Теоретические сведения

7.1.1 Аналоговые компараторы

Компаратор предназначен для сравнения аналоговых напряжений,

одно из которых является входным (измеряемым) U_вх, а второе -

опорным (задающим) U_оп. В момент равенства мгновенных значений

входных сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется. Кроме функций сравнения, компаратор осуществляет формирование выходных сигналов в виде двух дискретных уровней, один из которых соответствует логической единице, а другой - логическому нулю.

Схема простейшего компаратора для сравнения однополярных сигналов приведена на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Схема простейшего компаратора

В нее входит ОУ с цепями питания и коррекции. Схема не содержит обратных связей. Выходное напряжение компаратора U_вых определяется по формуле (7.1)

U_вых = К_uоу * (U_оп - U_вх) (7.1)

Так как К_uоу велик, а ООС отсутствует, то оно принимает одно

из двух дискретных значений (+U_нас) или (-U_нас). При U_оп > U_вх, а U_оп поступает на неинвертирующий вход ОУ, то достаточно даже незначительной разности входных сигналов (U_оп - U_вх), чтобы U_вых приняло значение (+U_нас). При U_оп < U_вх выходное напряжение принимает значение (-U_нас)

На рисунке 7.2. изображены характеристики U_вых = f(t) реального (сплошной линией) и идеального (пунктирной линией) компаратора. Из характеристики видно, что реальный компаратор переключается с некоторым запаздыванием и процесс переключения занимает некоторое конечное время.

Рисунок 7.2 - Характеристики реального и идеального компаратора

Рассмотренная схема обладает низкой помехоустойчивостью, так как компаратор может ложно переключиться под действием помехи с малым напряжением, наложенной на полезный сигнал. Это явление получило название "дребезга компаратора". Особенно это явление проявляется при малой скорости изменения входного сигнала. Для повышения помехоустойчивости работы в схему компаратора вводят положительную обратную связь.

Компараторы на ОУ позволяют сравнивать сигналы с порогом

чувствительности, равным десяткам микровольт, при времени переключения порядка единиц микросекунд. Специализированные интегральные компараторы имеют несколько худший порог чувствительности (порядка сотен микровольт) при меньшем времени переключения (порядка сотен наносекунд).

Подготовка к работе

7.2.1 Изучить принцип работы, параметры, характеристики схем компараторов на основе ОУ.

7.2.2 Изучить порядок расчета элементов схем и их качественных характеристик.

7.2.3 Нарисовать исследуемые схемы компараторов.

7.2.4 Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

План работы

7.3.1 Соберите схему компаратора для сравнения однополярных сигналов согласно рисунку 7.3.

UВЫХ

Рисунок 7.3 – Схема компаратора на ОУ

7.3.2.Соберите схему источника регулируемого стабилизированного источника напряжения по рисунку 7.2

Рисунок 7.2 – Источник регулируемого стабилизированного напряжения

7.3.2 Исследовать работу устройства, изменяя уровень входного сигнала от источника питания вручную при U_оп = const = 1В. Определить порог чувствительности компаратора, используя для этого осциллограф. По осциллографу определяют момент срабатывания компаратора и определяют разность DU_вх.min = U_оп - U_{вх.сраб}, которая и будет характеризовать порог чувствительности. U_{вх.сраб} и U_оп замеряют с помощью цифрового вольтметра.

7.3.3 Подать на вход компаратора синусоидальный сигнал соответствующей амплитуды (U_вх.m > U_оп) и частотой f = 1кГц от генератора. Убедиться в правильности функционирования схемы по осциллографу.

7.3.4 Зарисуйте осциллограммы входных и выходных сигналов компаратора при:

а) U_оп = 0;

б) U_оп = 1В.

7.3.5 Сравните результаты практического исследования с теоретическими расчетами и сделайте выводы.

7.4 Контрольные вопросы

7.4.1 Назовите основные особенности построения компараторов на ОУ.

7.4.2 Почему в таких схемах, как правило, не используются ООС?

7.4.3 Как можно повысить помехоустойчивость компаратора?

7.4.4 Как определить синфазное напряжение на входах компаратора для сравнения однополярных сигналов?

7.4.5 Как осуществляется в компараторах формирование нужных значений логических уровней цифровых микросхем U¹_вых и U⁰_вых.

7.4.6 В чем отличие значений основных параметров компараторов на ОУ и в виде специализированной интегральной микросхемы ?

7.4.7 Начертить схему двухпорогового компаратора и временные диаграммы ее работы.