Общие сведения

Компаратор – это устройство сравнения двух аналоговых сигналов – входного (анализируемого) U_вх и опорного U_оп. Выходной сигнал компаратора представляет собой логический сигнал, содержащий 1 бит (единицу) информации. Он определяется по следующему правилу:

В качестве компаратора может быть использован и обычный операционный усилитель. Преимуществами интегрального компаратора являются повышенное быстродействие, малый дрейф и малое смещением нуля. Его входной каскад обладает большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные напряжения на входах, не попадая в режим насыщения. Выходной сигнал в большинстве компараторов снимается с «открытого» коллектора. В данной работе используется сдвоенный компаратор с открытыми коллекторами в выходном каскаде на интегральной микросхеме LM393.

Компараторы имеют многочисленные применения в электронных цепях, из которых в данной работе рассматриваются двухпороговый компаратор, мультивибратор и широтно-импульсный модулятор.

Двухпороговый компаратор (или компаратор с «окном») фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя пороговыми напряжениями или находится вне этого диапазона. На рис. 3.13.1 представлены схема, передаточная характеристика и временная диаграмма работы такого устройства при изменении входного напряжения.

Рис. 313.1

Пока U_вх < U₂ < U₁, компаратор Кмп₁ находится в состоянии 0 (выходной транзистор открыт), а компаратор Кмп₂ – в состоянии 1 (выходной транзистор закрыт). Но так как выходы объединены, то общий выход будет 0. Когда U₂ < U_вх < U₁ оба компаратора находятся в состоянии 1 (оба выходных транзистора закрыты) и на выходе цепи появляется напряжение, равное напряжению питания (состояние 1). Наконец, когда U₂ < U₁ < U_вх, Кмп₁ остаётся в состоянии 1, а Кмп₂ переходит в состояние 0, и объединённый выход становится равным 0.

Автоколебательный мультивибратор. Схема автоколебательного мультивибратора на компараторе с односторонним питанием приведена на рис. 3.13.2а. Выходная частота определяется постоянной времени RC, а ширина петли гистерезиса устанавливается соотношением сопротивлений R₁, R₂, и R₃.

Пусть в исходном состоянии напряжение на выходе мультивибратора равно напряжению питания (выходной транзистор закрыт). Примем также R₁ = R₂ = R₃. Тогда напряжение на неинвертирующем входе U₁ = 2U_пит/3 и конденсатор С заряжается через резистор R (рис.3.13.2б). Когда конденсатор зарядится до напряжения U₁, выход компаратора переключится, и конденсатор начнёт разряжаться. Когда напряжение на нём уменьшится до значения U₂ = U_пит/3, выход компаратора переключится в исходное состояние.

Рис. 3.13.2

Для приведённой схемы при R₁ = R₂ = R₃ время заряда, как и время разряда конденсатора, находится из уравнения

С учётом того, что U₁ = 2U₂ получим T = 1,386RC.

Широтно-импульсный модулятор. Простейшая схема широтно-импульсного модулятора на копараторе (рис. 3.13.3а) получается из схемы автоколебательного мультивибратора добавлением цепи управления (U_у, R_у). При увеличении напряжения управления длительность импульсов (t_и) уменьшается, а пауза (t_п) возрастает. При этом скважность (относительная длительность импульсов) увеличивается по линейному закону (рис. 3.13.3б). Однако, изменяется и частота следования следования импульсов . Если R₁ = R₂ = R₃, то она имеет максимальное значение при U_у @ U_пит/2. При уменьшении R_у чувствительность схемы увеличивается.

Рис. 3.13.3