1 CEL ĆWICZENIA WSTĘP TEORETYCZNY ut U ut

WFiIS
LABORATORIUM
Z ELEKTRONIKI
Imię i nazwisko:
1.
2.
TEMAT:
Data wykonania: Data oddania:
ROK
GRUPA
ZESPÓŁ
NR ĆWICZENIA
Zwrot do poprawy:
Data oddania:
Data zliczenia:
OCENA
CEL ĆWICZENIA
Zaprojektowanie i zbadanie dyskryminatora amplitudy impulsów i generatora impulsów
prostokątnych (inaczej multiwibrator astabilny).
WSTĘP TEORETYCZNY
Komparator to układ służący do porównywania analogowego sygnału u (t ) z pewnym
napięciem referencyjnym U . Idealny komparator może przyjmować tylko dwie wartości:
jedną, gdy u (t ) < U i drugą, gdy u (t ) > U . Wtedy przejście pomiędzy stanami następuje
dla u (t ) = U . Dla tego punktu charakterystyka wyjściowe wykazuje nieciągłość (rysunek
poniżej).
Komparator napięcia jest układem o wejściu analogowym i wyjściu cyfrowym, pełni rolę
jednobitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Bywa nazywany komparatorem
analogowym, dla odróżnienia od komparatora cyfrowego, porównującego wielobitowe
słowa.
Dobrym przybliżeniem idealnego komparatora jest wzmacniacz operacyjny pracujący w
zakresie nieliniowym, bez ujemnego sprzężenia zwrotnego. Na jedno z wejść podaje się
sygnał, na drugie zaś napięcie progowe. Jeśli zaniedbać bardzo wąski przedział wokół
wartości U, to wyjście przyjmuje jeden z dwóch poziomów nasycenia: dolny L (Low) lub
górny H (High).
Obszarem błędnego działania dla komparatora jest zakres liniowej zależności pomiędzy
wejściem i wyjściem. Napięcie na wyjściu zmienia się wtedy w zakresie pomiędzy
wartościami poziomów logicznych. Można zmniejszyć obszar tej liniowej zależności przez
podniesienie wzmocnienia ( k → ∞ ). W praktyce stosuje się dodatnie sprzężenia zwrotne.
Jeśli chcemy, aby nastąpił warunek generacji i tym samym sygnał wejściowy dawał
początek przejściu z jednego stanu do drugiego to k β = 1 . Wtedy przejście realizuję się
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
1
własnymi siłami układu ze sprzężeniem. W praktyce z powodów bezpieczeństwa stosuje
się k β > 1 . To z kolei prowadzi do powstania zjawiska histerezy.
Histereza jest sposobem zabezpieczenia przed pasożytniczymi przeskokami komparatora,
eliminuje zjawisko kilkukrotnego przeskakiwania napięcia na wyjściu komparatora, gdy
napięcie wejściowe zbliża się do napięcia referencyjnego.
Jeżeli na wejściu narasta napięcie to wtedy wyjście komparatora zmieni poziom, gdy
napięcie referencyjne zostanie przekroczone o pewną, określoną wartość.
Przy opadaniu napięcia wejściowego, napięcie wyjściowe zmieni stan, gdy spadnie o
wartość poniżej napięcia referencyjnego.
Rysunek 2 pokazuje odpowiednio konfigurację odwracającą i nieodwracającą oraz
ilustruje jak wyjście przyjmuje jeden z dwóch poziomów logicznych: L lub H zaniedbując
wąski przedział wokół wartości U .
Wybrane właściwości komparatora
μ A710 :
- czas odpowiedzi: 40ns
- wzmocnienie napięciowe: 1700 V
V
- poziom H na wyjściu: 3, 2V
- poziom L na wyjściu:
−0,5V
- pobór mocy: 90mW
- obciążalność bramkami TTL : 1
Dyskryminatory są układami które porównują napięcie wejściowe u (t ) z napięciem
odniesienia U i w zależności od wyniku tego porównania dostarczają na wyjście jedno z
napięć U OL lub U OH . W najprostszym przypadku można do budowy takiego układu
zastosować wzmacniacz operacyjny dostarczając na każde z jego wejść jedno z napięć:
wejściowe i odniesienia, otrzymując w wyniku na wyjściu układu jedno z dwóch napięć
nasycenia (dodatnie lub ujemne). Rozwiązanie takie posiada jednak pewną wadę, która
praktycznie dyskwalifikuje ten układ: w wyniku podania wolnozmiennego napięcia na
wejście dyskryminatora, na które dodatkowo nałożone jest napięcie szumów układ ten
wygeneruje na wyjściu wielokrotne zmiany napięcia.
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
2
W celu wyeliminowania tego niekorzystnego zjawiska stosuje się w praktyce komparatory
w układzie dyskryminatora napięcia z histerezą.
Układ użyty do pomiarów przedstawiono na poniższych rysunkach.
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
3
Generator przebiegu prostokątnego oparty na układzie
rysunku poniżej.
μ A710
został przedstawiony na
Obwód z rezystorami R to pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego. Aby układ działał
musimy spełnić warunek generacji. Układ będzie astabilny, jeżeli przy stanie wysokim
(3.2V) na wyjściu komparatora, napięcie na jego wejściu odwracającym będzie większe
niż na nieodwracającym (np. o 1mV). Ponieważ oba rezystory R mają mieć taką samą
wartość łatwo zauważyć, że przy stanie wysokim na wyjściu, na wejściu nieodwracającym
napięcie jest równe połowie stanu wysokiego (1.6V). Aby spełnić warunek generacji
trzeba dobrać odpowiednie rezystory R ' i R '' .
OPRACOWANIE POMIARÓW
1 Dyskryminator amplitudy.
Założenia:
- napięcie dyskryminacji U = 1V
- napięcie histerezy U H = 200mV
- U OL = −0,5
- U OH = 3, 2
-
R1 R2 =
R1 R2
= 200Ω
R1 + R2
Obliczenia:
I1 =
U −UP
R2
I2 =
U P − U OUT
R1
I1 = I 2
(U − U P ) R1 = (U P − U OUT ) R2
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
4
UP = U
R1
R2
+ U OUT
R1 + R2
R1 + R2
Równanie powyżej rozbito na dwa skrajne przypadki:
U PL = U
R1
R2
+ U OL
R1 + R2
R1 + R2
R1
R2
+ U OH
R1 + R2
R1 + R2
R2
− U PL = (U OH − U OL )
= 200mV
R1 + R2
R2
200mV = 3, 7V
R1
R1 + R2
U PH = U
U H = U PH
R1 R2
= 200Ω
R1 + R2
R1 200mV = 200Ω ⋅ 3, 7V
Ostatecznie:
R1 = 3, 7k Ω
R2 = 211Ω
W poniższej tabelce zamieszczono wyniki dla U prog = 0,5V .
U P [V ]
U OUT [V ]
U P [V ]
U OUT [V ]
0,4
0,49
0,5
0,51
0,52
0,53
0,54
0,55
0,56
0,57
0,58
0,59
0,595
0,596
0,597
3,264
3,267
3,268
3,27
3,274
3,278
3,279
3,285
3,29
3,299
3,311
3,327
3,336
3,338
3,34
0,35
0,41
0,42
0,43
0,435
0,44
0,445
0,45
0,451
0,452
0,477
0,478
0,479
0,481
0,35
3,267
3,267
3,267
3,267
3,266
3,266
3,265
3,264
3,264
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
0,598
0,599
0,6
0,601
0,602
0,603
0,604
0,605
0,61
0,62
0,63
0,64
0,65
0,66
0,7
0,8
3,344
3,345
3,346
-0,474
-0,474
-0,474
-0,475
-0,475
-0,475
-0,476
-0,476
-0,476
-0,476
-0,476
-0,476
-0,476
0,485
0,489
0,49
0,494
0,5
0,51
0,52
0,55
0,58
0,6
0,65
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
-0,48
5
Histereza dla Uprog=0,5V
4
3,5
3
Uout [V]
2,5
2
1,5
1
0,5
0
-0,5
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
-1
Up [V]
Z danych pomiarowych można wyznaczyć wartości napięć U PL i U PH , dla których
następuje przeskok wartości napięcia na wyjściu. Jeżeli:
U PH = 0, 601V
U PL = 0, 475V
to wartość napięcia histerezy wynosi:
Kolejny pomiar był dla
U P [V ]
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
1,01
1,02
1,03
1,04
1,05
1,06
U prog = 1V . W tabeli poniżej zestawiono wyniki pomiaru.
U OUT [V ] U P [V ]
3,27
3,27
3,27
3,27
3,27
3,29
3,29
3,30
3,32
3,33
3,35
U H = 149mV
0,800
0,850
0,860
0,870
0,880
0,890
0,900
0,910
0,920
0,930
0,940
U OUT [V ]
3,230
3,230
3,230
3,230
3,230
3,250
3,260
3,270
0,920
-0,467
-0,474
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
1,07
1,08
1,09
1,10
1,11
1,12
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
3,36
3,38
-0,47
-0,47
-0,47
-0,47
-0,47
-0,47
-0,47
-0,47
-0,47
0,950
0,960
0,970
0,980
1,000
1,100
1,200
1,300
1,400
1,500
1,600
-0,475
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
-0,474
6
Histereza dla Uprog=1V
4,0
3,5
3,0
Uout [V]
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
-1,0
Up [V]
Jak w poprzednim przypadku wyznaczono:
U PH = 1, 09V
U PL = 0,92V
Ostatecznie otrzymując
U H = 170mV
Trzecia seria pomiarów była wykonana dla
U P [V ]
U OUT [V ]
U P [V ]
U OUT [V ]
1,350
1,450
1,510
1,520
1,530
1,535
1,540
1,548
1,549
1,550
3,379
3,392
3,404
3,409
3,412
3,413
3,414
3,415
3,416
3,417
1,200
1,300
1,310
1,320
1,350
1,360
1,380
1,390
1,392
1,394
3,384
3,384
3,384
3,384
3,384
3,385
3,385
3,385
3,386
3,287
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
U prog = 1,5V
1,551
1,552
1,553
1,554
1,555
1,556
1,557
1,560
1,570
1,580
1,590
3,417
3,418
3,419
3,419
3,420
3,420
-0,468
-0,468
-0,468
-0,468
-0,468
1,395
1,396
1,397
1,398
1,399
1,400
1,420
1,430
1,440
1,500
1,600
3,288
3,288
-0,462
-0,462
-0,462
-0,464
-0,468
-0,468
-0,468
-0,468
-0,468
7
Histereza dla Uprog=1,5V
4,0
3,5
3,0
Uout [V]
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
-1,0
Up [V]
Znów powtarzając wcześniejsze kroki jesteśmy w stanie policzyć:
U PH = 1,557V
U PL = 1,396V
U H = 161mV
2 Generator przebiegu prostokątnego.
Rezystory R ' i
zależność:
a więc:
R '' (o których wspomniano we wstępie teoretycznym) powinny spełniać
3, 2 − 1, 61 1, 61 − (−6)
=
R'
R ''
R ' 1,59 2
=
≈
R '' 7, 61 10
Można przyjąć dowolne wartości rezystorów tak, aby spełniały one powyższą zależność.
W laboratorium przyjęto:
R ' = 1k Ω
R '' = 10k Ω
Następnie założono, że R = 1,8k Ω oraz, że częstotliwość f = 2 MHz . Korzystając ze
wzoru:
R ' R ''
C ln 3,5
R '+ R ''
wyznaczono wartość pojemności C = 113 pF .
T =2
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
8
Do wykonania układu użyto kondensatora
wyznaczyć korzystając z zależności:
τ =C
C = 120 pF . Stałą czasową układu można
R ' R ''
= 109 μ s
R '+ R ''
Zależności napięciowe na wyjściu i wejściu układy wyglądają następująco:
U N to wartość napięcia na wejściu odwracającym. Czas narastania i opadania zboczy
sygnału prostokątnego to odpowiedni:
tn = 32ns
to = 118ns
WNIOSKI
Wartość pętli histerezy, jaką otrzymano w doświadczeniu różni się od wartości
teoretycznej około 20% mieści się więc w przedziale niepewności. Różnice pomiędzy
wartością zmierzoną, a wyznaczoną z równań mogą wynikać z:
- teoretyczne wartość rezystorów, jakie potrzebne były do doświadczenia nie były
dostępne na pracowni, musiano użyć tych o rezystancji najbliższej teoretycznej;
- szumy i zakłócenia w układzie mogły doprowadzić do szybszego przełączenia
komparatora, niż wynikałoby to z teorii;
Komparator – Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz
9