Лабораторный практикум по физике для вечернего фак 2007

графу. Результат запишите в табл. 7.1. Постройте график зависимости KU (Rг ).

Таблица 7.1

RГ 200 Ом 1, 5кОм 5,1кОм 15 кОм 5,1МОм

UГ

UН

KU

KI

2. Снимите зависимость KU от RH . Для этого, зафиксировав RГ

(самое малое) и изменяя RH , измерьте UН и UГ по осциллографу. Результат запишите в табл. 7.2. Постройте график зависимости

KU (RH ).

				Таблица 7.2
RГ	300 Ом	1, 5кОм	5,1кОм	10 кОм
UГ
UН
KU
KI

3. По измеренным KU , рассчитайте по формуле (7.3) значение KI для двух случаев. Постройте графики зависимостей KI (RГ ) и

KI (RH ).

61

4. Плавно изменяя чистоту генератора, найдите fH и fB при оптимальных параметрах ( C1, C2 , RH − самые большие значения номиналов, RГ − самое малое).

Контрольные вопросы

1. Из формулы (7.3) можно сделать вывод, что с ростом RГ величина KI беспредельно увеличивается, однако на самом деле это не так. Почему?

2.Объясните, как возникает усиление в транзисторе.

3.Как надо включить n − p − n транзистор и как будут рас-

пределяться токи в схеме с общим эмиттером?

4. Почему для Hi-Fi аппаратуры используют усилители, у которых fH и fB находятся явно за пределом восприятия человеческим ухом (8 − 40000 Гц)?

62

Работа 8 КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы: изучение работы компаратора напряжений с положительной обратной связью, определение ширины гистерезиса передаточной характеристики компаратора.

Введение

Основная функция компаратора – сравнение напряжения сигна-

ла на одном входе UВХ	с опорным напряжением UОП на другом
входе и выработка сигнала высокого уровня (UВЫХ1 ) или низкого
(UВЫХ0 ) на выходе в	зависимости от знака разности	U

( U =UОП −UВХ ). Предназначены компараторы для сопряжения

аналоговых (непрерывных) входных сигналов с цифровой техникой.

Выходная мощность современных компараторов достаточна для

управления десятью и	более	логическими элементами
( P ≈ 500 мВт). Особенно	широко	они используются в схемах

аналого-цифрового преобразования (АЦП). Компараторы напряжений являются, практически, простейшими одноразрядными АЦП, поэтому от них требуется высокое быстродействие.

Условное обозначение микросхем интегральных компараторов напряжений (ИКН) приведено на рис. 8.1, а, а идеальная передаточ-

ная характеристика (зависимость UВЫХ = f (UВХ )) представлена на рис. 8.1,б.

Рис. 8.1

63

Передаточная характеристика компаратора является знаковой функцией. Например, при подаче входного сигнала UВХ на вход 2

компаратора, а UОП – на вход 1
	1	,	если	UВХ	<UОП
U	ВЫХ
			если	UВХ	=UОП
UВЫХ = UСР ,
	0	,	если	UВХ	>UОП
U	ВЫХ

где UСР – выходное напряжение, величина которого зависит от ви-

да нагрузки, причем UВЫХ0 <UСР <UВЫХ1 .

К основным параметрам ИКН относятся: чувствительность или разрешающая способность – минимальная разность сигналов, которую можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как сигнал, соответствующий переходу из одного состояния в другое, и время переключения – время с момента подачи входного напряжения до момента, когда на выходе установится сигнал, соответствующий срабатыванию. Основные источники погрешности

компаратора: случайные изменения входного тока IВХ и изменение напряжения источника питания UИП .

При медленно изменяющемся входном сигнале напряжение на выходе может изменяться достаточно медленно. Кроме того, если во входном сигнале присутствует шум, то компаратор может многократно переключаться в те моменты, когда напряжение на входе проходит через точку переключения, т.е. через уровень опорного

напряжения UОП (рис. 8.2а). Оба недостатка позволяет устранить

положительная обратная связь (ПОС). Это процесс передачи части энергии выходного сигнала на вход, при котором происходит увеличение напряжения входного сигнала.

Введение обратной связи, кроме уменьшения времени переключения компаратора, создает в схеме два порога срабатывания –

верхний и нижний (UB и UH ). Теперь для переключения, напряжение входного сигнала должно превысить верхний порог срабатывания UB (UB >UОП ) или опуститься ниже значения нижнего по-

рога срабатывания UH (UH <UОП ), т.е. переключение компарато-

64

ра при увеличении входного сигнала будет происходить при UB , а при уменьшении – при UH . Между переключениями состояние выхода компаратора будет неизменным (рис. 8.2б).

Рис. 8.2

Схема включения компаратора с положительной обратной связью (регенеративного компаратора) приведена на рис. 8.3,а. Передаточная характеристика компаратора с ПОС показана на рис. 8.3,б. и имеет вид петли гистерезиса.

Рис. 8.3

65

Напряжения порогов срабатывания

U

=U

RОС

+U1

RОП

,

(8.1)

ОП R

B

+ R

ВЫХ R

+ R

ОП

ОС

ОП

ОС

U

=U

RОС

+U 0

RОП

,

(8.2)

ОП R

H

+ R

ВЫХ R

+ R

ОП

ОС

ОП

ОС

и регулируются делителем, образованным резисторами RОП

и RОС ,

а величина гистерезиса

RОП

UГ =UB −UH =

(UВЫХ1

−UВЫХ0 ).

(8.3)

R

+ R

ОП

ОС

Наличие гистерезиса приводит к тому, что нестабильность напряжения питания и шумы после срабатывания не способны изме-

нить состояние компаратора, если величина гистерезиса UГ будет

больше максимально возможной амплитуды шумов. Ширина петли гистерезиса зависит от величины сопротивления обратной связи

( RОС ). Чем ниже величина сопротивления резистора RОС , тем меньше время переключения компаратора, но больше ширина гистерезиса UГ .

Регенеративные компараторы применяются в стабилизаторах напряжения в качестве схемы управления, в цифровых вольтметрах, в автоматических системах освещения или подогрева и т.д.

Описание лабораторного макета

Рис. 8.4

66

Основная часть лабораторного макета – микросхема DA1 ИКН К544САЗ (рис. 8.4). Диод VD2 обеспечивает защиту макета в слу-

чае неправильной полярности напряжения питания UИП , а конденсатор С1 сглаживает провалы в напряжении питания. Резисторы R1 и R2 формируют входное напряжение (UВХ ) для компаратора, а резисторы R3, R4 и R5 формируют опорное напряжение (UОП ) из напряжения питания макета. С помощью переключателя В1 можно получить два значения UОП . Резистор R6 – резистор обратной связи. Резистор R7 – внешний резистор, с помощью которого можно задать величину выходного напряжения компаратора (UВЫХ ), в нашем случае оно равно напряжению питания (UИП ). Устройство

индикации (УИ), отображающее состояние выхода компаратора, собрано на светодиоде VD1 ЗЛ102, транзисторе VT1 КТ315Б и резисторе R8. Светящийся диод соответствует высокому уровню напряжения на выходе.

Назначение гнезд: Г1 – подключение источника входного сигнала;

Г2 – измерение UВХ ; Г3 – измерение UВЫХ ; Г4 – измерение UИП ; Г5 – подключение источника питания, но в работе оно не использу-

ется, так как питание на макет уже подано UИП = 9 В, и оно не ре-

гулируется; Г6 – общий провод.

Для данного макета можно рассчитать все параметры переходной характеристики, определяемые делителем на резисторах R3, R4 и R5. Если переключатель В1 находится в положении

«1», то

UОП =UИП			R4 + R5		,		(8.4)
		R + R + R
3			4	5
если вположении «2», то			R5
UОП =UИП						.	(8.5)
		R + R + R
3			4	5

Сопротивления резисторов регулирующих величину гистерезиса и напряжения порогов срабатывания для положения «1»

67

R	=	R3	(R4	+ R5 )	, а R			= R ,		(8.6)
ОП		R3	+ R4 + R5			OC			6
для положении «2»
			(R3	+ R4 )R5
R		=				, а	R		= R .	(8.7)
ОП			R3 + R4 + R5					OC	6

Величины сопротивлений резисторов даны на рис. 8.4.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Изучить работу компаратора с помощью двух вольтметров.

1. Соберите схему по рис. 8.5,а.

Рис. 8.5

68

2. Рассчитайте ширину гистерезиса UГ и напряжения срабатывания (UH , UB ) для двух положений переключателя В1 по формулам (8.1) – (8.7) (при расчетах принять UВЫХ1 = 8, 92 В и

UВЫХ0 = 0 ).

3. Включите источник питания входного напряжения UВХ . Пе-

реключите переключатель В1 в положение 1.

4. Плавно увеличивая входное напряжение, снимите зависимость выходного напряжения UВЫХ от входного напряжения UВХ .

После срабатывания компаратора, дальнейшее увеличение входного напряжения можно прекратить. Момент срабатывания компаратора можно фиксировать по светодиоду. Продолжите эксперимент, плавно уменьшая входное напряжение. Результат запишите в таблицу 8.1.

Таблица 8.1

Увеличение входного напряжения

UВХ

UВЫХ

5. Переключите переключатель В1 в положение 2. Повторите измерения по п.п. 4. Результат запишите в таблицу 8.2.

Таблица 8.2

Уменьшение входного напряжения

UВХ

UВЫХ

6. Постройте графики снятых зависимостей, определите по графикам ширину гистерезиса UГ , UB и UH для двух положений переключателя, сравните с расчетными.

69

7. Рассчитайте величину опорного напряжения (UОП ) для двух

положений переключателя В1. Нанесите полученные значения на графики.

Задание 2. Изучить работу компаратора с помощью генератора низкой частоты и осциллографа.

1.Соберите схему по рис. 8.5,б.

2.Получите на экране осциллографа график зависимости вы-

ходного напряжения UВЫХ от входного напряжения UВХ . В каче-

стве источника входного напряжения используйте низкочастотный генератор сигналов.

3.Экспериментально подберите амплитуду и частоту входного сигнала, при котором получается устойчивая картина гистерезиса на экране осциллографа.

4.Зарисуйте осциллограммы для двух положений переключателя В1 и запишите характеристики входного сигнала (амплитуду, частоту).

5.Плавно увеличивая частоту генератора, найдите частоту FГР

при которой на осциллограмме гистерезиса возникают нелинейные искажения (для двух положений переключателя В1).

Контрольные вопросы

1.Как можно использовать интегральные компараторы напряжения?

2.Для чего в схемах с компараторами используется положительная обратная связь?

3.Какой максимальный сигнал помехи может присутствовать во входном сигнале, чтобы компаратор не переключился?

4.Как влияет положение переключателя В1 на пороги срабаты-

вания UH и UB ?

70