Масштабная сетка для входного сигнала по напряжению выбирается таким образом, чтобы изображение занимало не менее 3 и не более 6 масштабных делений с коэффициентами пропорциональности 1; 2; 2,5; 3; 5. Границы для входного напряжения соответствуют +Um и –Um относительно временной оси.
Границы для выходного напряжения соответствуют +Е1 и –Е2 относительно временной оси. Масштабная сетка для выходного сигнала выбирается таким образом, чтобы напряжение источника питания занимало не менее 3 и не более 6 масштабных делений.
По оси времени зарисовать входной сигнал симметричной треугольной формы. В рассматриваемом отрезке времени два периода. Пунктиром отметить уровни напряжения обратной связи ±Uос. Указать точки срабатывания компаратора, которые устанавливаются в точках пересечения уровней напряжений обратной связи и входного напряжения по приближению. По свойствам операционного усилителя определить уровни устойчивых состояний выходного сигнала. Зарисовать выходной сигнал.
СВОЙСТВА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.
1. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход равно напряжению, подаваемому на не инвертирующий вход U1ВХ = U2ВХ, то напряжение на выходе равно нулю UВЫХ = 0.
2. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход , больше напряжения, подаваемого на не инвертирующий вход U1ВХ > U2ВХ, то напряжение на выходе будет отрицательным UВЫХ < 0.
3. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход , меньше напряжения, подаваемого на не инвертирующий вход U1ВХ < U2ВХ, то напряжение на выходе будет положительным UВЫХ > 0.
4. Если выход соединён с инвертирующим входом через линейную цепь, то образуется отрицательная обратная связь ( ООС ).
5. Если выход соединён с не инвертирующим входом через линейную цепь, то образуется положительная обратная связь ( ПОС ).
6. Линейный режим будет в том случае, когда выходное напряжение больше отрицательного максимального напряжения, но меньше положительного максимального напряжения. В реальных ОУ предельное значение выходного напряжения êUВЫХ.МАКС ê= ( 0,9 ¸ 0,95 )Е. При анализе устройств на ОУ принимают UВЫХ.МАКС = ± Е.
7. При наличии ООС в линейном режиме ( -- Е2 < UВЫХ < +Е1) напряжение на инвертирующем входе повторяет напряжение не инвертирующего входа с погрешностью d = , .
Компаратор – это устройство, которое имеет два устойчивых состояния, каждое из которых зависит от соотношения двух сигналов U1 и U2. Если напряжение U1 больше напряжения U2, то на выходе компаратора будет один фиксированный уровень (уровень положительного ограничения), если меньше, то будет другой фиксированный уровень (уровень отрицательного ограничения). В зависимости от параметров сигналов U1 и U2 компаратор называют:
1.схемой сравнения, если оба сигнала переменные;
2.дискриминатором уровня, если один из сигналов имеет постоянный уровень;
3.нуль – органом, если один из сигналов имеет уровень, равный нулю;
4.триггером Шмидта, если сравниваемый уровень не является входным сигналом, а формируется в схеме за счёт положительных обратных связей.
Любой усилительный элемент может быть использован в качестве компаратора.. Усилительный элемент, как компаратор, работает в режиме больших сигналов, превышающих уровни ограничения. Уровень ограничения определяет порог срабатывания компаратора, который часто называют чувствительностью компаратора. Разность напряжений на входе, при которых компаратор переходит из одного состояния в другое и обратно называют разрешающей способностью.
Если разность между двумя сравниваемыми напряжениями будет очень близка к нулю – на уровне шума, то на выходе не будет устойчивого состояния. Это состояние называют состоянием неопределённости. Для устранения неопределённости включают положительную обратную связь ( ПОС ). Для этого выход соединяют с неинвертирующим входом через делитель на сопротивлениях R2R3 (Рис. 1). При этом на неинвертирующем входе образуется напряжение обратной связи
При входном напряжении, равном нулю, выходное устанавливается под действием ПОС в одно из двух устойчивых состояний. Если под действием флуктуации на выходе появится положительный потенциал, то такой же полярности на неинвертирующем входе будет напряжение обратной связи, которое вызовет увеличение выходного напряжения, а значит и увеличение напряжения обратной связи. Таким образом, лавинообразно установится максимальное положительное напряжение на выходе, практически равное напряжению источника питания (+Е1). Устойчивое состояние поддерживается напряжением обратной связи. . Если под действием флуктуации на выходе появится отрицательный потенциал, то такой же полярности на неинвертирующем входе будет напряжение обратной связи, которое вызовет лавинообразно установку устойчивого отрицательного напряжения на выходе (–Е2).
На рис.2 представлена передаточная характеристика инвертирующего компаратора, которая имеет прямоугольную форму гистерезиса. Чувствительность компаратора равна напряжению обратной связи Uос, а разрешающая способность напряжению гистерезиса Uгист=2 Uос. Для того, чтобы перевести состояние компаратора в противоположное, необходимо изменить входное напряжение до величины напряжения обратной связи. При Uвх=Uос происходит срабатывание компаратора.
+Е1
На рис.3 представлена схема неинвертирующего компаратора. Для того, чтобы перевести состояние компаратора в противоположное, необходимо изменить входное напряжение до величины напряжения обратной связи противоположной полярности.. При Uвх=–Uос происходит срабатывание компаратора.
ЗАДАЧА 1.
Зарисовать диаграммы напряжений в едином масштабе времени на входе, выходе и в цепи обратной связи инвертирующего регенеративного компаратора. Исходные данные: Umвх=4 В; R1=24 кОм; R2=4,7кОм; напряжения источников питания Е=±10 В.
Рассчитываем напряжение обратной связи ; .
Выбираем масштабный коэффициент по напряжению для входного сигнала и сигнала обратной связи , а для выходного . Выбираем 14 масштабных делений в рассматриваемом отрезке времени. Зарисовываем входной сигнал – два периода симметричного треугольного сигнала. Пунктиром обозначаем уровни напряжения обратной связи. Устанавливаем точки срабатывания компаратора по направлению приближения входного напряжения к уровню напряжения обратной связи. Зарисовываем сигналы обратной связи и выходной сигнал.
ЗАДАЧА 2.
Зарисовать диаграммы напряжений на входе и выходе неинвертирующего регенеративного компаратора. Исходные данные: Umвх=4 В; R1=24 кОм; R2=4,7кОм; напряжения источников питания Е=±10 В.
1. Если напряжение, подаваемое на инвертирующий вход равно напряжению, подаваемому на не инвертирующий вход U1ВХ = U2ВХ, то напряжение на выходе равно нулю UВЫХ = 0.
, 
.
. Если под действием флуктуации на выходе появится отрицательный потенциал, то такой же полярности на неинвертирующем входе будет напряжение обратной связи, которое вызовет лавинообразно установку устойчивого отрицательного напряжения на выходе (–Е2).
; 
.
, а для выходного 
. Выбираем 14 масштабных делений в рассматриваемом отрезке времени. Зарисовываем входной сигнал – два периода симметричного треугольного сигнала. Пунктиром обозначаем уровни напряжения обратной связи. Устанавливаем точки срабатывания компаратора по направлению приближения входного напряжения к уровню напряжения обратной связи. Зарисовываем сигналы обратной связи и выходной сигнал.
