Аналоговые компараторы и их применение

Аналоговые компараторы и их применение

Цель работы: Изучение принципа работы и схем применения аналоговых компараторов Теоретические сведения:

Компараторы представляют собой операционные усилители (ОУ) специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений. В зависимости от того, какое напряжение больше другого, выход компаратора может находиться в одном из двух состояний, — логического нуля или логической единицы. Компаратор имеет высокую чувствительность и способен реагировать на разность входных напряжений меньше 1 милливольта. В качестве компаратора может применяться обычный ОУ при условии отсутствия сопротивления обратной связи между выходом и инвертирующим входом. В таком включении ОУ имеет очень высокий коэффициент усиления (порядка десятков-сотен тысяч раз) и может применяться во многих компараторных схемах. В современной схемотехнике предпочтение отдается специально спроектированным компараторам, более удобным для применения. Компараторы нашли применение в схемах контроля величин напряжений, аналого-цифрового преобразования, сдвига уровней сигналов и множестве других схем.

Питание компараторов может осуществляться как от двухполярных, так и от однополярных источников питания, входные напряжения также могут иметь различную полярность. Выходное напряжение, в случае его подачи на логические ТТЛ или КМОП микросхемы, обычно устанавливают равным напряжению питания цифровой части аппаратуры, соответствующему уровню логической «1».

На рис. 9.1 показана одна из типовых схем включения компаратора.

.

Рис. 9.1. Типовая схема контроля уровня на аналоговом компараторе.

На этом рисунке показано вредное влияние наложенных шумов, вызывающих появление пачек импульсов на выходе компаратора. Для устранения этого нежелательного явления применяют специальные схемы компараторов с гистерезисом — триггеров Шмидта [2]. Компараторы могут также применяться в формирователях импульсов и многоуровневых индикаторах.

На рис. 9.2 показана схема для снятия передаточной характеристики компаратора. На вход Y подано постоянное напряжение 20 мВ, напряжение на входе X, регулируемое в небольших пределах потенциометром R1, может быть как меньше, так и больше напряжения на входе Y. Напряжение на входе X увеличивают от минимального до максимального значения, контролируя изменения выходного напряжения и состояние светодиодного индикатора при переключении компаратора.

Рис. 9.2 Схема для снятия передаточной характеристики компаратора.

На рис. 9.3 показана схема формирователя прямоугольных импульсов с регулируемым порогом срабатывания.

Рис. 9.3. Схема формирователя прямоугольных импульсов с регулируемым порогом срабатывания.

На вход схемы подается напряжение синусоидальной формы с частотой f и амплитудой Um, которое с помощью компаратора преобразуется в последовательность импульсов положительной полярности с амплитудой аналоговый компаратор усилитель гистерезис.

5 В, которые могут быть поданы на входы цифровых микросхем.

На рис. 8.4 показана схема 4-х уровневого индикатора напряжения. При малом входном напряжении ни один светодиодный индикатор не светится. По мере увеличения входного напряжения, когда напряжение на входах Х достигает уровня опорного напряжения Uоп = 2 В, происходит поочередное переключение компараторов (начиная с верхнего по схеме), сопровождаемое соответствующей индикацией.

Выполнение работы.

1. Собрать схему (рис. 9.2), используя данные табл.9.1.

Табл.9.1.

• 2. Снять отсчеты напряжений в зоне переключения компаратора.
• 3. По полученным данным построить график передаточной характеристики компаратора

Uвых = f (Uвх._х — Uвх._y),.

где (Uвх._х — Uвх._y) — напряжение между входами компаратора X и Y, контролируемое мультиметром XMM1.

• 4. Собрать схему формирователя (рис. 9.3), используя данные табл.9.1.
• 5. Включить моделирование и, изменяя порог переключения компаратора при помощи потенциометра R1, проследить за изменением параметров выходных импульсов. Дать объяснение полученным данным.
• 6. Собрать схему индикатора уровня (рис. 9.4), используя данные табл.9.1.
• 7. Включить режим моделирования и, изменяя величину входного напряжения при помощи потенциометра R1, определить уровни входного напряжения, при которых происходит переключение каждого компаратора, сопровождаемое соответствующей индикацией. Зафиксировать для отчета результаты измерений (4 скриншота).

Контрольные вопросы:

• 1. Что такое аналоговый компаратор?
• 2. Поясните принцип работы аналогового компаратора.
• 3. Чем типовых отличается схема включения операционного усилителя в режиме аналогового компаратора от типовых схем применения операционных усилителей?
• 4. Каким образом сигнал с наличием шумов может повлиять на работу компаратора?
• 5. Что такое гистерезис?
• 6. Назовите схему формирователя с повышенной помехоустойчивостью, реализуемую на компараторе и использующую принцип гистерезиса.
• 7. Назовите основные применения аналоговых компараторов.

• 1.

  Введение

  в Multisim. Трехчасовой курс. National Instruments, 2006.

• 2. Прянишников В. А. Электроника: Полный курс лекций. — 5-е изд. — Спб.: КОРОНА; М.: Бином-Пресс, 2006.-416 с.
• 3. Марченко А. Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов. — М.:ДМК Пресс, 2008 — 296 с.
• 4. Бейкер, Бонни. Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике. Пер. с англ. — М.: Додэка-ХХI, 2010 — 360 с.