2

Глава 2. Компараторы

2.1. Компаратор нулевого уровня. Инвертирующая и неинвертирующая схемы

Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух входных сигналов, также это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам. В данной схеме (рис. 2.1.1) на неинвертирующий вход подается ноль, а на инвертирующий напряжение UВХ (обычно с амплитудой не более 15В). Входной сигнал имеет синусоидальную форму, а на выходе компаратора сигнал имеет прямоугольную форму (меандр). В компараторе напряжение UВХ сравнивается с нулем и в моменты, когда напряжение UВХ = 0 происходит переключение компаратора.

Рис. 2.1.1 Схема компаратора нулевого уровня

Из графиков видно, что сдвиг по фазе между входным сигналом и первой гармоникой выходного сигнала составляет 180 градусов (Δφ = 180º). Если подавать напряжение UВХ на неинвертирующий вход (рис. 2.1.1), а UВХ = 0 на инвертирующий, то такой сдвиг по фазе составляет ноль градусов (Δφ = 0º).

2.2.Компаратор ненулевого уровня

Вданной схеме входное напряжение сравнивается с ненулевым опорным

напряжением (UОП ≠ 0). Опорное напряжение подается с резистивного делителя напряжения, выполненного на резисторах R1 и R2. Необходимую величину опорного напряжения легко получить с помощью подбора резисторов R1 и R2. В моменты, когда входное напряжение сравнивается с опорным напряжением, происходит переключение компаратора.

Относительная продолжительность включения – это отношение продолжительности t1 состояния выхода компаратора с положительным напряжением UВЫХ > 0 к периоду T выходного напряжения

= Tt1 .

Относительную продолжительность включения можно изменять с помощью регулирования опорного напряжения.

Рис. 2.2.1 Схема компаратора ненулевого уровня

Компараторы, представленные на схемах (рис. 2.1.1 – 2.2.1), имеют ряд недостатков, одним из основных является дребезг выходного напряжения при повышенном уровне шумов во входном сигнале.

2.3. Схема операционного усилителя с положительной обратной связью (Триггер Шмитта)

Триггер Шмитта или схема компаратора с положительной обратной связью позволяет устранить недостатки простых схем компаратора (рис. 2.3.1), избежать дребезга выходного напряжения, возникающего вследствие неизбежного наличия шумов во входном сигнале.

В триггере Шмитта на инвертирующий вход подаѐтся входной сигнал, а на неинвертирующий поступает сигнал положительной обратной связи – опорное напряжение UОП. Величину опорного напряжения можно регулировать с помощью резисторов R1 и R2. В цепи отрицательной обратной связи два стабилитрона VD1 и VD2 включены встречно-последовательно. Данные стабилитроны предназначены для ограничения амплитуды выходного прямоугольного сигнала на некотором заданном уровне.

Регулировочная характеристика триггера Шмитта представляет собой прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 2.3.2). Это позволяет использовать схему в качестве формирователя прямоугольных импульсов из некоторого входного напряжения, в частности, из синусоидального.

Рассмотрение работы схемы начнѐм с момента t = 0. В данной схеме входное напряжение UВХ сравнивается с положительным опорным напряжением UОП, и как только входное напряжение превысит опорное напряжение, схема переключится и на выходе появится отрицательное напряжение.

После момента переключения входное напряжение, достигнув некоторого максимального значения, снова уменьшится до величины, равной входному напряжению в момент переключения, однако компаратор не переключится. Это связано с тем, что опорное напряжение снимается с резистивного делителя, подключенного к выходу компаратора, и изменение знака выходного напряжения при переключении приводит к изменению знака опорного напряжения. В дальнейшем входное гармоническое напряжение не только спадает до нуля, но меняет свой знак и увеличивается до величины равной отрицательному опорному напряжению. Именно в этот момент будет

происходить переключение схемы и на выходе установится положительное выходное напряжение.

Рис. 2.3.1 Триггер Шмитта

Схема триггера Шмитта не реагирует на шумы, т.е. переключение происходит только в те моменты, когда входное напряжение превышает модуль опорного напряжения

UÂÕ UÎ Ï .

2.4. Операционный усилитель с положительной обратной связью и односторонней петлѐй гистерезиса

Как можно видеть из рисунка 2.4.1 отличие данной схемы от схемы триггера Шмитта состоит в наличии в цепи положительной обратной связи диода VD1.

Рис. 2.4.1 Схема операционного усилителя с положительной обратной связью и односторонней петлей гистерезиса

Данный диод, находящийся в цепи положительной обратной связи, необходим для подачи на неинвертирующий вход отрицательного опорного напряжения, что приводит к уменьшению ширины петли гистерезиса в два раза.

Глоссарий

HCPL-788J – Изолирующий усилитель компании Avago с его возможностями обнаружения короткого замыкания и перегрузки делает компактным, доступным по стоимости и простым в реализации контроль потребляемого электродвигателем тока при соответствии международным требованиям безопасности и регуляторным нормам. Изолирующий усилитель HCPL-788J предназначен для контроля тока двигателей с электронным управлением. В типичной реализации токи электродвигателя протекают через внешний резистор, а падение напряжение на нем контролируется с помощью HCPL-788J. Данное напряжение доступно в усиленном виде на другой стороне барьера оптической изоляции усилителя HCPL-788J. Это напряжение пропорционально току двигателя и может быть подключено непосредственно к входу однополярного АЦП. Предусмотрены логический выход сигнализации аварийного состояния (FAULT) и аналоговый выход выпрямленного выходного напряжения (ABSVAL). Выход FAULT поддерживает подключение по принципу монтажного ИЛИ и полезен для быстрого обнаружения короткого замыкания в любой из фаз двигателя. Выход ABSVAL также допускает включение по принципу монтажного ИЛИ. Данный выход упрощает контроль потребляемого двигателем тока, т.к. здесь выполняется многофазное выпрямление. Поскольку в современном электроприводе синфазное напряжение может изменяться на сотни вольт за десятки микросекунд, в HCPL-788J заложена возможность игнорирования больших переходных синфазных напряжений (10 кВ/мс).

Активный фильтр – один из видов аналоговых электронных фильтров, в котором присутствует один или несколько активных компонентов, к примеру транзистор или операционный усилитель. В активных фильтрах используется принцип отделения элементов фильтра от остальных электронных компонент схемы. Часто бывает необходимо, чтобы они не оказывали влияния на работу фильтра.

Аналоговый умножитель/делитель – это устройство, обеспечивающее выходное напряжение или ток, пропорциональные произведению двух или больше входных напряжений или токов. Кроме умножения/деления, такая ИС может возводить в квадрат, извлекать корень и осуществлять модуляцию. Эти ИС применяются в радарах, системах связи, промышленных системах управления, где требуется реакция в реальном времени. Analog Devices поставляет большой набор ИС для умножения/деления.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – Аналого-цифровой преобразователь

(АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной

аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.

Гиратор – электрическая цепь, которая осуществляет инвертацию импеданса. Другими словами, эта схема заставляет ѐмкостные цепи проявлять индуктивные свойства, полосовой фильтр будет вести себя как режекторный фильтр и т. п.

Датчик Холла – Датчик, измеряющий индукцию магнитного поля на основе эффекта Холла.

Датчик, сенсор – Термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

Делогарифмирующий усилитель, Делогарифматор – Операционный усилитель, выход-

ное напряжение которого пропорционально экспоненте от входного.

Демодуляция – Демодуляция (Детектирование сигнала) — процесс, обратный модуляции колебаний, преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала. Для передачи энергии электромагнитной волны используются высокочастотные колебания, а колебания низкой частоты используются для модуляции (слабого изменения амплитуды или фазы) высокочастотных колебаний. На принимающей станции из этих сложных колебаний с помощью специальных методов снова выделяют колебания низкой частоты, которые после усиления подаются на громкоговоритель. Этот процесс выделения информации из принятых модулированных колебаний получил название демодуляции, или детектирования колебаний.

Дифференциальный операционный усилитель – ОУ, усиливающий разницу между на-

пряжениями, подаваемыми на инвертирующий и на неинвертирующий входы.