Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

ИСCЛЕДОВАНИЕ ДВУХКАНАЛЬНОГО

КОМПАРАТОРА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Электроника»

для студентов специальности 7.09.09.01 Приборы точной механики дневной и заочной форм обучения Севастополь Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) УДК 621.396.6.038. Методические указания к выполнению лабораторной работе по дисциплине «Электроника» для студентов специальности 7.09.09.01 Приборы точной механики дневной и заочной форм обучения/ Сост. О.П. Чуб, В.Я.

Копп - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2009.- 12с.

Целью методических указаний является оказание помощи студентам в выполнении лабораторной работы по дисциплине «Электроника» при изучении принципов работы компараторов, реализованных на базе операционного усилителя К157УД2.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры Автоматизированных приборных систем СевНТУ (протокол №_ от 2009 г.) Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний.

Рецензент Поливцев В.П., канд. техн. наук, доцент кафедры АТПП.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

СОДЕРЖАНИЕ

1. Теоретические основы…..………………………………………………… 1.1. Общие сведения об аналоговых компараторах напряжения……….. 1.2. Реализация аналогового компаратора напряжения на основе операционных усилителей………………………………..……..……. 1.3. Интергальные микросхемы компараторов…………………………... 2. Описание лабораторного стенда для исследования функционирования двухканального компаратора …………..…..……………………………..... 3. Последовательность выполнения лабораторной работы

4. Порядок оформления и содержание отчета…………….………………….. 5. Контрольные вопросы………………………………………………………... Библиографический список……………………………….……

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) Цель: изучение принципа работы, основных параметров и характеристик двухканального компаратора на операционном усилителе К157УД2.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

1.1. Общие сведения Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух входных напряжений (рисунок 1, а) и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Типовой компаратор имеет два входа для аналоговых сигналов и выход логического сигнала. Таким образом, компараторы, как и пороговые устройства, можно рассматривать как линейно-дискретные схемы, так как кроме функций сравнения, компаратор осуществляет формирование выходных сигналов в виде двух дискретных уровней, один из которых соответствует логической 1, а другой — логическому 0.

Рисунок 1 – Временные диаграммы компараторов Компараторы напряжения можно условно разбить на две группы в соответствии с временными диаграммами: с релейной (гистерезисной) передаточной характеристикой (рисунок 1, б) и передаточной характеристикой, близкой к релейной, у которых выходной сигнал пропорционален разности входных сигналов только в очень узкой области — вблизи точки их равенства (рисунок 1, в). Основные требования к схемам компараторов: минимальная ширина петли гистерезиса передаточной характеристики, наличие которой приводит к неоднозначности срабатывания компаратора, высокие требования к точности и стабильности уровней срабатывания.

Компараторы напряжения характеризуются рядом параметров, Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) важнейшими из которых являются чувствительность, быстродействие, нагрузочная способность. Чувствительность, или разрешающая способность — это минимальная разность аналоговых сигналов, которую можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как цифровой сигнал, соответствующий переходу из одного логического состояния в другое.

Разрешающая способность реального компаратора является функцией коэффициента усиления и величины логического перепада выходного напряжения. Для компараторов с коэффициентом усиления сотни тысяч и логическим перепадом единицы вольт ее значение составляет сотни микровольт. Быстродействие компаратора определяется временем переключения, которое оценивается при подаче на оба входа компаратора скачка напряжения 100 В с заданным перевозбуждением, т. е. превышением входного сигнала над пороговым напряжением. Время переключения оценивают с момента подачи входного скачка до момента, когда выходной сигнал превысит пороговый уровень напряжения, соответствующий логическим 1 или 0 в зависимости от того, в каком начальном состоянии находился компаратор. Различают время включения (длительность стадии перехода схемы из состояния логического 0 в 1) и время выключения (длительность стадии перехода из состояния логической 1 в 0) компаратора.

Нагрузочная способность определяется количеством цифровых схем, которые можно одновременно подключить к выходу компаратора.

Гистерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния 0 в 1 происходит при одном входном напряжении, а возвращение из 1 в 0 — при другом. Гистерезис полностью входит в суммарную погрешность компаратора, если последний работает непрерывно и отслеживает все изменения входного сигнала при определенном пороговом напряжении. Если же компаратор работает со сбросом и фиксирует превышение сигналом порога только в одном направлении, например, при переходе его выхода из Компараторы выполняются на микросхемах операционных усилителей (ОУ) или в виде отдельной интегральной микросхемы (ИМС). Их отличие состоит в том, что компараторы второго типа, имея схемную реализацию, сходную с первым, выполнены по интегральной технологии в виде отдельной микросхемы. Это приводит к некоторым отличиям значений их параметров, Схема простейшего компаратора для сравнения однополярных сигналов приведена на рисунке 2, а. В нее входит ОУ с цепями питания и коррекции.

Схема не содержит обратных связей и элементов формирования выходных уровней, совместимых с цифровыми схемами. Выходное напряжение Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) Рисунок 2 – Компаратор на операционном усилителе для сравнения отсутствует, то оно принимает одно из двух дискретных значений + U нас или U ОП поступает на неинвертирующий вход ОУ, то достаточно даже незначительной разности ( U оп - U x ), чтобы U вых приняло значение + U нас. При Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) t>t1, U x начинает превышать U оп. Так как U x подается на инвертирующий напряжение примет значение (- U нас ) (компаратор изменит свое состояние, т.е. зафиксирует равенство U вых U оп ). В интервале t1t2 U оп опять начнет превосходить U x, и схема примет начальное состояние ( U вых =+ U нас ). На рисунке 2, б пунктиром приведена происходит мгновенно при выполнении равенства U x = U оп ). Из характеристики U вых f ( t ) реального компаратора, изображенной сплошной линией, видно, что компаратор начинает переключаться с некоторым запаздыванием относительно t1 и t2, и процесс переключения занимает конечное, хотя и небольшое время. При U оп 0 компаратор переключается при U x 0 и называется детектором нулевого уровня. На рисунке приведены схема и вид выходного напряжения компаратора с диодными ограничителями в качестве элементов формирования выходных уровней.

Рассмотрим в качестве примера формирование уровней U1вых 3,7 В, а закрыт. Падение напряжения на открытом диоде составляет порядка 0,7В (кремниевый диод), поэтому U1вых 3,7 B. Когда U вых ОУ U нас, то VD1закрыт, а VD2 открыт. Поэтому U 0 0,7 B. Сопротивление Rб - балластное.

На нем падает избыточное U вых ОУ. Аналогично, используя диодные ограничители, можно сформировать U1вых и U 0 требуемых значений.

Схема компаратора для сравнения разнополярных сигналов и элементарные диаграммы ее работы приведены на рисунке 4. Потециал (VD1-открыт, VD2 - закрыт). Здесь и в дальнейшем, с целью упрощения рисунка, временная задержка при переключении компаратора не показывается. В интервале t1 U (х ) и компаратор возвращается в исходное состояние Рассмотенные схемы отличаются низкой помехоустойчивостью, так как компаратор может ложно переключаться под действием помехи с напряжением U п, наложенной на полезный сигнал (рисунок 5). При малой скорости изменения входного сигнала суммарное напряжение ( U х U п ) может несколько раз пересечь уровень U оп до того, как это сделает сигнал U х. Соответственно, выходной уровень несколько раз ложно переключается из 1 в 0 и обратно, что ошибочно будет зафиксировано последующей схемой Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) Более высокой помехоустойчивостью обладает регенеративный компаратор (рисунок 6, а), в который введена положительная обратная связь (ПОС) на базе резисторов R2 и R4. В этой схеме напряжение на действия ПОС суммарное входное напряжение ( U х U п ) сравнивается с Переключение компаратора произойдет тогда, когда ( U х U п ) превысит U сраб, что соответствует моменту времени t=t1 (рисунок 6, б). Теперь Возвращение компаратора в исходное состояние может произойти когда ( U х U п ) станет меньше напряжения отпускания U ОТП, что соответствует моменту времени t=t2. Если амплитуда помехи U П меньше разности рисунке 5, не будет. За счет ПОС регенеративный компаратор обладает (рисунок 6, в). Для уменьшения влияния начальных входных токов ОУ на работу компаратора резистор R1 выбирают с учетом равенства R1=(R2R4)/(R2+R4). Введение ПОС повышает помехоустойчивость и скорость переключения компаратора, но при этом снижается точность сравнивания входных напряжений ( U сраб U оп ; U отп U оп ), которая зависит от Рисунок 4 – Схема компаратора для сравнения разнополярных сигналов Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) Рисунок 5 – Временные диаграммы работы компораторов для сравнения одно- и разнополярных сигналов при появлении ложных срабатываний Рисунок 6 – Схема и диаграммы работы регенеративного компаратора Микросхемы имеют узел формирования выходного напряжения логической единицы и нуля. ИМС компараторов могут использоваться для сравнения однополярных и разнополярных входных сигналов. Некоторые из них имеют дополнительный вход стробирования (управления). Изменяя Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) уровень сигнала на этом входе, можно разрешать или запрещать работу компаратора. При запрещающем уровне на этом входе U вых 0 независимо от соотношения входных напряжений. Стробирование позволяет считывать показания с выхода компаратора в нужные моменты времени.

ИМС компараторов характеризуются коэффициентом усиления, входным сопротивлением, коэффициентом ослабления синфазного сигнала, напряжением смещения нуля, значениями входных токов, порогом чувствительности (разрешающая способность). Последняя характеризует точность сравнения сигналов и соответствует их минимальной разности, при которой напряжение на выходе достигает уровня срабатывания логического элемента, временем срабатывания.

Компараторы на ИМС позволяют сравнивать сигналы с порогом чувствительности, равным десяткам микровольт, при времени переключения порядка единиц микросекунд. Специализированные компараторы имеют несколько худший порог чувствительности (порядка сотен микровольт) при меньшем времени переключения (порядка сотен наносекунд).

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДВУХКАНАЛЬНОГО

КОМПАРАТОРА

В данной лабораторной работе исследуется функционирование двухканального компаратора на ОУ К157УД2, рисунок 7. Компаратор имеет два входа напряжений (точки 2, 5) и два выхода дискретных сигналов (точки 13, 9), при появлении которых происходит световая сигнализация благодаря наличию в схеме светодиодов VD4, VD5. Опорное напряжение U оп =6,8В подается на входы 3 и 6 операционных усилителей с выхода стабилитрона VD1 (КС 168А). Опорное напряжение задает уровень, с которым будут сравниваться первый и второй входные сигналы. В схеме предусмотрена кнопка КН1 включения регулируемого ограничения (резистором R8) уровня выходных сигналов в диапазоне 0…10В. Без использования режима ограничения выходные импульсные сигналы противоположной полярности имеют амплитуду 12В. Переключатель П1 дает возможность поочередно измерять при помощи вольтметра V1 следующие параметры, соответствующие различным положениям переключения: 1 – опорное напряжение, 2 и 3 – первое и второе входные напряжения, 4 и 5 – первое и Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com) Рисунок 7 – Схема лабораторного стенда по исследованию работы

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Этапы выполнения лабораторной работы следующие:

- ознакомление с основными теоретическими положениями и составом - выполнение исследования компаратора, построение графиков временных диаграмм входных и выходных напряжений;

- анализ полученных результатов и формулировка выводов.

Исследование двухканального компаратора:

- подключить питание лабораторного стенда;

- экспериментально определить уровень опорного напряжения U оп, задаваемого стабилитроном VD1, по шкале V1, для чего использовать - меняя уровни входного первого, а затем входного второго напряжений в диапазоне 0…8В и 8…0В, убедиться в срабатывании светодиодов при равенстве входных напряжений опорному; зафиксировать уровни входного напряжения по V1, соответствующие срабатыванию светодиодов;

- зарисовать временные диаграммы первого и второго входных, а также и отметить уровень опорного напряжения.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

4. ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет оформляется в соответствии с требованиям ЕСКД к текстовым документам (ГОСТ 2.106-96). При оформлении титульного листа необходимо указать следующие основные данные: название лабораторной работы, шифр студенческой группы, ФИО студента, ФИО и должность преподавателя.

В основной части отчета следует привести цель работы, основные теоретические положения, результаты исследований.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назначение аналоговых компараторов напряжения.

3. Перечислить состав лабораторного оборудования.

4. Пояснить функционирование схемы, представленной на рисунке 7.

5. Каковы основные характеристики ИМС компараторов?

6. Каково назначение входа стробирования ИМС компараторов?

1. Скаржепа В.А. Электроника и микросхемотехника: Лабораторный практикум/ В.А. Скаржепа, А.А. Новацкий, В.И. Сенько; под общ. ред.

А.А. Краснопрошиной.- К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 279 с.

2. Горбачев Г.Н. Промышленная электроника: учебник для вузов/ Г.Н.

3. Схемотехника электронных систем: учебник: в 2 т./ В.Я. Жуйков, В.И.

Заказ №_ от «_» _2009. Тираж экз.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)