Analogowe komparatory napięcia

Komparatorem napięcia nazywamy szerokopasmowy wzmacniacz operacyjny, którego napięcie wyjściowe przyjmuje jedynie dwie skrajne wartości: minimalną lub maksymalną, przy czym poziomy tego napięcia są zazwyczaj dopasowanie do standardów cyfrowych (TTL, CMOS, ECL). Ponieważ komparatory pracują bez wewnętrznego sprzężenia zwrotnego są stale przesterowane.

Dlatego też są one tak konstruowane aby wyeliminować konsekwencje wynikające z pracy w warunkach przesterowania, czyli przeciwdziałać nasyceniu tranzystorów. Komparatory mogą pracować jako układy odwracające lub nieodwracające, z histerezą lub bez niej.

Symbol komparatora z zaznaczonymi napięciami wejściowymi(U₁U₂) i napięciem wyjściowym(U) oraz charakterystyka przejściowa komparatora: a) idealnego, b) rzeczywistego

Najważniejsze parametry komparatorów napięcia:

• wzmocnienie napięciowe,

• współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego CMRR,

• czułość(rozdzielczość),

• czas odpowiedzi,

• szybkość narostu napięcia wyjściowego

• maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe i maksymalne dopuszczalne różnicowe napięcie wejściowe,

• poziomy napięcia wyjściowego,

• maksymalne prądy wyjściowe,

• obciążalność wyjściowa.

Układy porównujące (komparatory) możemy podzielić ze względu na pełnioną funkcję na:

• detektory przejścia przez zero (U_R= 0V),

• dyskryminatory progowe (U_R≠0V),

• dyskryminatory okienkowe (U_R1< U_R< U_R2).

Komparatory znajdują zastosowanie wszędzie tam gdzie zachodzi potrzeba zasygnalizowania przejścia badanego napięcia przez z góry ustalony próg. Ich zastosowanie jest bardzo szerokie i swoje miejsce znaleźć mogą w: układach formujących, przetwornikach analogowo-cyfrowych, dyskryminatorach amplitudy, generatorach, wzmacniaczach odczytu itd.

1. Dyskryminator progowy.

Dyskryminator progowy wytwarza na swym wyjściu sygnał logiczny, będący rezultatem porównania wartości napięcia (lub prądu) sygnału wejściowego z napięciem (lub prądem) odniesienia.

Napięcie wyjściowe przejmuję jedną z dwu możliwych wartości: maksymalną U_0max lub minimalną U_{0 min}, zależnie od znaku różnicy napięcia sygnału U_I i napięcia odniesienia UR (napięcia referencyjnego). Wartości U_0max i U_0min zależą od rodzaju użytego komparatora; przebieg pokazanej charakterystyki U₀ = f(U_I) odpowiada poziomom logicznym, np. TTL.

Symbole dyskryminatora progowego oraz charakterystyki przejściowe w różnych konfiguracjach

Badanie dyskryminatora progowego.

1. Schemat blokowy układu pomiarowego:

1. Schemat ideowy badanej płytki:

2. Zasilić trenażer napięciem +/- 15 V. Włożyć zwory: Z2, Z3, Z7, Z11, Z12, Z15. Za pomocą potencjometru P1 ustawić w Pp1 kolejno napięcia -4V, 0V, +8V. Zdjąć charakterystyki statyczne Uwy = f(UPp2) przy UPp1 = const, regulując napięcie potencjometrem P2. Obserwować stany diod.

UP1	UP2	UWY	Stan na wyjściu
V	V	V
-4	-7	L	H
	-5	L	H
	-1	H	L
	2	H	L
	4	H	L
0	-7	L	H
	-5	L	H
	-1	L	H
	2	H	L
	4	H	L
+8	-1	L	H
	2	L	H
	4	L	H
	6	L	H
	9	H	L

1. Za pomocą potencjometru P2 ustawić kolejno napięcia: -6V, 2V, 7V w punkcie pomiarowym Pp2. Regulując napięcie potencjometrem P1 zdjąć charakterystyki Uwy = f(UPp1) przy

UPp2 = const, regulując napięcie potencjometrem P2. Obserwować stany diod.

UP1	UP2	UWY	Stan na wyjściu
V	V	V
-6	-9	H	L
	-7	H	L
	-4	L	H
	2	L	H
	4	L	H
+2	-7	H	L
	-5	H	L
	-1	H	L
	3	L	H
	6	L	H
+7	-1	H	L
	2	H	L
	5	H	L
	8	L	H
	9	L	H

1. Detektor przejścia przez 0.

Detektor przejścia przez zero wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy. Układ taki jest szczególnie przydatny przy analizie widma częstotliwościowego sygnału, gdyż przetwarza sygnał analogowy w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości. W ten sposób następuje redukcja szumów i zniekształceń sygnału badanego, a dalszą analizę można łatwo przeprowadzić metodami cyfrowymi.

Symbole detektora przejścia przez 0 oraz charakterystyki przejściowe w różnych konfiguracjach

Badanie detektora przejścia przez 0.

1. Schemat blokowy układu pomiarowego:

1. Zewrzeć zwory: Z7, Z8, Z9, Z12, Z15. Na wejście układu podawać kolejno sygnał prostokątny, piłokształtny i sinusoidalny o częstotliwości 1 kHz. Zdjąć oscylogramy Uwe i Uwy. Oscyloskop ustawić w trybie pracy DC.

Napięcie prostokątne

Sx – podstawa czasu, Sy1, Sy2 – czułości w kanałach 1 i 2

Napięcie trójkątne

Napięcie sinusoidalne

1. Dyskryminator okienkowy.

Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać na swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający, czy wartość napięcia wejściowego zawiera się w określonym przedziale napięć odniesienia. Najłatwiej można zbudować dyskryminator okienkowy stosując dwa komparatory napięcia lub komparator podwójny. W urządzeniach pomiarowych i kontrolnych jest często potrzebny układ dający sygnalizację wówczas, gdy napięcie wejściowe nie mieści się w określonych tolerancjach. W dyskryminatorach okienkowych można, podobnie jak w innych rodzajach komparatorów napięcia, stosować wzmacniacze operacyjne.

Badanie dyskryminatora okienkowego.

1. Schemat blokowy układu pomiarowego:

Zewrzeć zwory: Z2, Z4, Z5, Z7, Z8, Z12, Z15.

1. Ustawić w Pp1 napięcie -1V, a w Pp2 2V. Na wejście podać sygnał trójkątny o amplitudzie przekraczającej 4V i częstotliwości 1kHz. Zdjąć oscylogramy Uwe i Uwy.

1. Ustawić w Pp1 napięcie -6V, a w Pp2 -3V. Na wejście podać sygnał trójkątny o amplitudzie przekraczającej 6V i częstotliwości 1kHz. Zdjąć oscylogramy Uwe i Uwy.

4. Ustawić w Pp1 napięcie 3V, a w Pp2 2V. Na wejście podać sygnał trójkątny o amplitudzie przekraczającej 4V i częstotliwości 1kHz. Zdjąć oscylogramy Uwe i Uwy.

Komparatory scalone:

- układ scalony µA741: http://cygnus.et.put.poznan.pl/~kklima/aue/ua741.pdf

- układ scalony LM393: http://www.htckorea.co.kr/Datasheet/Signal%20Conditioning/LM393.pdf

Literatura:

- "Liniowe układy scalone i ich zastosowanie" - Z.Kulka, M.Nadachowski

- "Pracownia elektroniczna cz. II" - A.Chwaleba, B.Moeschke

- "Analogowe układy scalone" - Z.Kulka, M.Nadachowski

- "Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowanie" - W.Golde, L.Sliwa