ĆWICZENIE 4

Dodatnie sprzężenie zwrotne, przerzutniki.

1. Komparator. Proszę narysować schemat z rys. 1. Proszę zastosować komparator LT1017 (w oknie wybierania części: <Comparators>/LT1017). Dzielnik R1,R2 realizuje napięcie odniesienia równe 7.5V. Źródło V3 należy skonfigurować w tryb generacji PWL (piecewise linear - przebieg odcinkami liniowy - definiuje się współrzędne kolejnych punktów załamania przebiegu; między tymi punktami źródło generuje prostoliniowy przebieg). Źródło ma wytwarzać przebieg liniowo narastający od -15V do +15V w czasie 2ms (parametry: time1=0, value1=-15, time2=2m, V2=15, p. rys. 2). Analiza transient z czasem trwania 2ms i max. skokiem 100ns. Po zrównaniu się napięcia wejściowego z napięciem referencyjnym następuje przerzut napięcia na wyjściu komparatora. Proszę obserwować przebieg na wyjściu komparatora (out) oraz na wyjściu źródła V3.

Rysunek 1 Komparator z napięciem referencyjnym 7.5V

Rysunek 2 Konfiguracja źródła PWL (piecewise linear)

2. Proszę przekształcić schemat do postaci z rys. 3, dodając źródło generujące szum. Źródłem tym jest element bv (behavioral voltage), któremu funkcję przetwarzania należy zdefiniować, jako: V=random(100k*time). Konfiguracja źróła przedstawiona jest na rys. 4. Funkcja random generuje przebieg pseudolosowy. Parametry analizy Transient, jak w poprzednim przykładzie. Proszę obserwować przebieg na wyjściu komparatora (out), na wyjściu źródła V3 oraz na wyjściu źródła B1. Występuje efekt niestabilnego „iskrzącego” przerzutu (p. przebiegi na rys. 5).

Rysunek 3 Komparator z dodaną symulacją zaszumienia.

Rysunek 4 Konfiguracja źródłą BV do generacji szumu.

Rysunek 5 Przebiegi z komparatora przetwarzającego zaszumiony przebieg.

3. Znieczulenie komparatora na szum - regeneracja. Układ z rys. 3 różni się od poprzedniego dodaniem rezystora realizującego dodatnie sprzężenie zwrotne. Interpretacja jest dość oczywista. Wartość napięcia referencyjnego jest modyfikowana, ponieważ rezystor sprzężenia zwrotnego dostarcza część napięcia wyjściowego do dzielnika napięcia referencyjnego. Powoduje to podwyższenie napięcia referencyjnego, jeśli napięcie na wyjściu było dodatnie i obniżenie w przeciwnym wypadku. Efekt jest taki, że narastające napięcie na wejściu widzi przed sobą inny próg komparacji, a opadające - inny. Powstaje pętla histerezy. Proszę przeprowadzić tę samą analizę, co w poprzednim punkcie - tym razem „iskrzenia” nie będzie.

4. Proszę usunąć źródło wprowadzające szum i zmodyfikować źródło V3 w ten sposób, żeby po przejściu od -15V do 15V w 2ms zmalało przez kolejne 2ms z powrotem do -15V (czyli: time1=0, value1=-15, time2=2m, value2=15, time3=4m, value3=-15). Przeprowadzić analizę transient z czasem końcowym 4ms. Zmierzyć napięcie, przy którym następuje przerzut komparatora w fazie narastania napięcia na wejściu oraz opadania napięcia. Dlaczego te napięcia się różnią? Następnie w oknie wykresu należy podwójnie kliknąć na osi X i w okienku, które się pojawi, w linii Quantity plotted (rys. 7) wpisać zamiast zmiennej time nazwę przebiegu na wejściu komparatora (zazwyczaj V(n001) ). Powstanie przebieg pokazujący pętlę histerezy procesu przełączania. Proszę zmniejszyć wartość rezystora sprzęgającego do 1k i powtórzyć analizę. Jak zmieniła się szerokość pętli histerezy?

Rysunek 6 Komparator z regeneracją.

Rysunek 7 Zmiana zmiennej skojarzonej z osią X

5. Przerzutnik bistabilny. Poprzedni układ realizował już jakąś postać pamięci. W pewnym sensie zapamiętywany był ostatni stan komparatora, co wpływało na próg komparacji, jednak pomijając nieoznaczoność napięcia na wyjściu w obszarze histerezy, wyjście układu było zależne od wejście a nie od stanu układu („zawartości pamięci”). Przerzutnik bistabilny realizuje pamięć per se. Wyjście układu zależy całkowicie od stanu, w którym jest układ („zawartości pamięci”), a sygnał wejściowy może co najwyżej ten stan zmienić, pod warunkiem, że ma odpowiednio dużą amplitudę. Układ przedstawiony jest na rys. 4. W stosunku do układu z rys 3 został odłączony rezystor R1, co oznacza, że próg komparacji zależy wyłącznie od napięcia na wyjściu. Komparator jest teraz układem samopodtrzymującym się (dodatnie sprzężenie zwrotne). Jednak odpowiednio silny impuls na wejściu odwracającym potrafi spowodować przerzut. Źródła V3, V4 dają szpileczki: dodatnią po 1ms i ujemną po 2ms (stosowny fragment przebiegu jest pokazany na rys. 4). Szpileczka ma b. małą szerokość (0.1 ms) i amplitudę 6V. Zaobserwować przerzut (i stabilność) napięcia na wyjściu. Zaobserwować amplitudę napięcia na wejściu. Wykreślić charakterystykę przejściową. <Analiza Transient>

Rysunek 8 Przerzutnik bistabilny wraz z fragmentem przebiegu ilustrującym szpilki pobudzające przerzuty.

6. Przerzutnik astabilny. Układ przedstawiony jest na rys. 5. W miejsce źródeł dających szpileczki, pojawia się czwórnik RC (układ ładowania C przez R). Po naładowaniu kondensatora do odpowiedniego poziomu następuje przerzut i kondensator zaczyna być ładowany napięciem o przeciwnym znaku. Proszę przeprowadzić analizę transient.

Rysunek 9 Generator astabilny

7. Generator astabilny z przebiegiem trójkątnym. Przebieg napięcia na kondensatorze w poprzednim układzie miał kształt „zębów rekina” - z eksponencjalnym przebiegiem zarówno przy narastaniu jak opadaniu. Jeśli zastosować układ ładowania kondensatora stałym prądem (układ całkujący), oprócz przebiegu prostokątnego uzyskamy przebieg trójkatny. Układ przedstawiony jest na rys. 6 - układ ładowania kondensatora został zastąpiony układem całkującym. Ponieważ układ całkujący zrealizowany za pomocą wzmacniacza operacyjnego odwraca fazę, jego wyjście należy włączyć na wejście nieodwracające, a nie tak jak dla układu ładowania kondensatora przez rezystor - na wejście odwracające.

Rysunek 10 Przerzutnik astabilny z generacją przebiegu trójkątnego.

---