POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI I AKUSTYKI	Sprawozdanie z ćwiczenia Nr . 11
LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH	Komparatory
		Ocena:

Wstęp.

Celem ćwiczenia było zaznajomienie się z prostymi układami komparatorów, ich działaniem oraz pomiarem ich podstawowych parametrów. W ćwiczeniu badano układ detektora przejścia przez zero oraz komparator okienkowy.

Użyte urządzenia pomiarowe:

- panel z badanymi układami,

- generator funkcyjny G 432,

- woltomierze napięcia stałego VC - 10T,

- zasilacz stabilizowany ZT 32 - 06,

- oscyloskop dwukanałowy.

I. Detektor Przejścia przez Zero.

a) wejściowe napięcie niezrównoważenia

Przeprowadzono pomiar napięć wyjściowych w stanie niskim U_WYmin i w stanie wysokim U_WYmax. Ustalono napięcie progu logicznego U_PR , jako średnią arytmetyczną napięć wyjściowych w stanie niskim i wysokim. Następnie zmierzono napięcie U₀ przy którym napięcie wyjściowe było równe U_PR. Wejściowe napięcie niezrównoważenia U_OS , z racji istnienia dzielnika R₁ || R₂, jest 1000 razy mniejsze od U_O.

U_WYmin = - 0.44 V

U_WYmax = 7.26 V

U₀ = 0.382 V

b) charakterystyka przejściowa U_WY = f(U_WE)

Po dokonaniu kompensacji wejściowego napięcia niezrównoważenia wyznaczono charakterystykę przejściową detektora, mierząc „punkt po punkcie” napięcie U_O i napięcie wyjściowe U_WY.

U0	UWE	UWY		U0	UWE	UWY
[ V ]	[ mV ]	[ V ]		[ V ]	[ mV ]	[ V ]
- 0.983	- 0.983	7.36		- 0.036	- 0.036	4.40
- 0.950	- 0.950	7.36		- 0.020	- 0.020	- 0.037
- 0.930	- 0.930	7.36		0.062	0.062	- 0.41
- 0.800	- 0.800	7.36		0.102	0.102	- 0.43
- 0.659	- 0.659	7.34		0.129	0.129	- 0.46
- 0.452	- 0.452	7.28		0.283	0.283	- 0.48
- 0.330	- 0.330	7.22		0.566	0.566	- 0.53
- 0.150	- 0.150	6.94		1.137	1.137	- 0.55
- 0.049	- 0.049	5.62		1.807	1.807	- 0.55

charakterystyka przejściowa:

c) współczynnik tłumienia wpływu zmian zasilania

Współczynnik tłumienia wpływu zmian zasilania zdefiniowano jako stosunek zmian wejściowego napięcia niezrównoważenia ΔU_OS do zmian napięcia zasilania ΔU_Z. Wyniki przedstawiono poniżej.

UZ	|ΔUZ|	UO	UOS	|ΔUOS|	β
[ V ]	[ V ]	[ V ]	[ mV ]	[ mV ]	[ %]
15		1.675	1.675
13	2	1.558	1.558	0.177	0.00585
11	2	1.494	1.494	0.064	0.00320
9	2	1.377	1.377	0.117	0.00585
7	2	1.129	1.129	0.248	0.01240
5	2	0.803	0.803	0.326	0.0163

przykładowe obliczenia:

wykres zależności U_OS = f (U_Z)

d) charakterystyka przejściowa detektora przy trójkątnym przebiegu wejściowym

Na wejście detektora podano symetryczny przebieg trójkątny o amplitudzie międzyszczytowej impulsów 100 mV i częstotliwości f = 1 kHz. Uzyskana na ekranie oscyloskopu charakterystyka przejściowa była inna niż uzyskana w punkcie 1b). W wyniku szybkich zmian napięcia wejściowego charakterystyka prezentuje się jako linia histerazy. Szerokośc pętli histerezy rozszerza się wraz ze wzrostem częstotliwości, co spowodowane jest zwiększającym się czasem opóźnienia odpowiedzi. Również amplituda ma wpływ na kształt pętli histerezy - przy zmniejszaniu amplitudy impulsów pętla zwęża się, a w końcowym stadium zniekształca się do owalu, który ma już mały wpływ na ilośc opadów śniegu w Mozambiku w poprzednim stuleciu.

Ocsylogram jest zamieszcony na rys. 1.

e) czas odpowiedzi impulsowej t_r i szybkośc zmiany napięcia wyjściowego

Powyższe parametry określono na podstawie oscylogramów, ktore zdjęto z ekranu oscyloskopu, gdy na wejście układu podawano przebieg prostokątny o amplitudzie międzyszczytowej 100 mV i częstotliwości 1 kHz. Następnie pomiary powtórzono dla większej amplitudy, tj. 200 mV.

Oscylogramy na rys. 2a i 2b.

Dla wzrostu częstotliwości nie zauważono znaczących zmian.

dla wyższej częstotliwości,tj. f = 10 kHz

Oscylogramy na rys. 2c (dla zbocza narastającego zaznaczono jedynie początek impulsu wejściowego).

II. Komparator okienkowy.

W układzie komparatora okienkowego była możliwość zmiany wartości napięcia środkowego U_O okna, jak również jego szerokości ΔU_O. Jako przebieg wejściowy podano przebieg prostokątny o częstotliwości 200 Hz i amplitudzie międzyszczytowej 1V.

a) charakterystyka przejściowa komparatora

1. U_O = 0.005 V

ΔU_O = 0.200 V

okno detekcji (- 0.195 V, 0.205 V)

Oscylogram charakterystyki przejściowej przedstawia rys. 3.1

2. U_O = 0.005 V

ΔU_O = 0.270 V

okno detekcji (- 0.265 V, 0.275 V)

Oscylogram charakterystyki przejściowej przedstawia rys. 3.2

3. U_O = 0.050 V

ΔU_O = 0.150 V

okno detekcji (- 0.100 V, 0.200 V)

Oscylogram charakterystyki przejściowej przedstawia rys. 3.3

4. U_O = 0.050 V

ΔU_O = 0.170 V

okno detekcji (- 0.120 V, 0.220 V)

Oscylogram charakterystyki przejściowej przedstawia rys. 3.4

b) czas odpowiedzi impulsowej t_r i szybkośc zmiany napięcia wyjściowego

Sygnałem wejściowym był przebieg prostokątny o amplitudzie 300 mV ( zgodnie z instrukcją w pierwszej kolejności ustalono minimalną amplitudę przebiegu - , który powodował zmianę stanu przerzutnika, a następnie jako amplitudę przebiegu pomiarowegoprzyjęto amplitudę większą o 100 mV)

III. Wnioski.

Detektor przejścia przez zero.

1. Wejściowe napięcie niezrównoważenia U_OS wyniosło 0.382 mV, co wydaje się być wartością zadowalającą, nawet dla układu komparatora. Wartość katalogowa tego parametru dla zastosowanego w układzie wzmacniacza operacyjnego μA 741 wynosi typowo 2 mV ( wg. J. Borczyński, P. Dumin, A. Mliczewski: „Podzespoły elektroniczne, półprzewodniki - poradnik” WKiŁ, Warszawa 1989, str. 260). Widać zatem, że jedna z funkcji układu, czyli zmniejszenie napięcia niezrównoważenia wzmacniacza, jest spełniona. Poprzez zewnętrzne układy kompensacyjne wyzerowano napięcie niezrównoważenia, jednak należy się liczyć z faktem, że układ nie został pozbawiony wrażliwości termicznej, gdyż z napięciem niezrównoważenia jest powiązany współczynnik cieplny.

2. Charakterystyka przejściowa detektora jest zgodna z oczekiwaniami. Niezgodność wartości napięcia niezrównoważenia, jaką można odczytać z charakterystyki z wartością tego parametru uzyskaną na drodze pomiarów w pkt. II a wynika z niedokładności pomiarów: „przeskakiwanie” napięcia wyjściowego pomiędzy progami utrudniało prawidłowe odczytanie wartości napięć.

3. Współczynnik tłumienia wpływu zmian zasilania β można uznać za stały w szerokim przedziale napięć zasilania, to jest od 9 do 15 V i wynosił ok. 0.006 %. Dla niższych napięć U_Z współczynnik ten wzrasta ponad dwukrotnie. Tak mała wartość tego parametru jest pozytywną cechą układu, gdyż zapewnia jego poprawne działanie bez względu na zmiany napięcia zasilania U_Z .

4. Jak już wspomniano, w wyniku szybkich zmian napięcia wejściowego charakterystyka przejściowa detektora przedstawiona na rys. 1. prezentuje się jako pętla histerezy, a nie jako pojedyncza linia, jak to jest pokazane w pkt. II b. Pętla ta się rozszerza wraz ze wzrostem częstotliwości, co jest spowodowane zwiększającym się czasem opóźnienia odpowiedzi układu. Przy zmniejszającej się amplitudzie sygnału wejściowego pętla początkowo zwęża się, a później zniekształca się aż do owalu. Jest to spowodowane niewystarczającym wysterowaniem układu.

5. Uzyskane wartości parametrów dynamicznych wydają się być poprawne. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, iż pomiary wykonywane były metodą techniczną, która obarczona jest błędami typu: paralaksa, skończona rozdzielczość, niedoskonałość oka ludzkiego, niestabilny obraz oscyloskopowy. Dla zwiększającej się częstotliwości zauważono, że szybkość zmiany napięcia wyjściowego praktycznie nie zmieniła się, za to uległ zwiększeniu czas odpowiedzi (na skutek opóźnień w układzie). Przy stałej wartości częstotliwości, a zwiększonej dwukrotnie amplitudzie sygnału wejściowego zauważono, że czas odpowiedzi impulsowej zmalał blisko dwukrotnie, a szybkość odpowiedzi wzrosła dwukrotnie, co jest zgodne z oczekiwaniami, które mówią, że lepsze wysterowanie układu powinno objawiać się szybszym działaniem ( oczywiście lepsze wysterowanie oznacza pracę poniżej poziomu przesterowania). Ponadto zauważono, że czas narastania napięcia wyjściowego jest dłuższy od czasu opadania tego napięcia w tych samych warunkach. Różnica ta widoczna jest na oscylogramach przedstawionych na rys. 2c.

Komparator okienkowy.

6. Zwiększanie wartości napięcia U₀ powodowało przesuwanie całej charakterystyki przejściowej w prawo. Zwiększanie natomiast napięcia ΔU₀ - rozszerzanie okna, przy czym szerokość obu pętli histerez pozostawała praktycznie niezmienna, co można zaobserwować na oscylogramach przedstawionych na rys. 3.1 ÷ 3.4.

7. Czas odpowiedzi impulsowej (rys. 4) uzyskany w pomiarach komparatora okienkowego wyniósł t_r = 94 μs, co czyni go raczej wolnym układem. Szybkość zmiany napięcia wyjściowego wyniosła ΔU_wy/Δt = 0.277 V/μs , co w porównaniu z otrzymanymi parametrami detektora jest zadowalająca.

2

---