LAB3 (Основы электроники)

1. Цель работы.

Целью работы является экспериментальное исследование выпускаемого промышленностью аналогового компаратора электрических сигналов типа К5554 СА2.

2. Основные теоретические положения.

Простейшим аналоговым компаратором, как известно, является операционный усилитель без ООС (рис. 1).

рис. 1.

При подаче на один из входов ОУ входного, а на другой — опорного напряжений, момент их равенства отмечается компаратором сменой уровня напряжений на выходе с “+U_нас” на “-U_нас” или наоборот (см. Эпюры на рис. 1). Передаточная характеристика приведенного компаратора представлена на рис. 2.

Приведенный выше компаратор относится к двухвходовым, в отличие от одновходовых компараторов, одна из схем которых представлена на рис. 3.

рис. 2.

рис. 3.

Нетрудно показать, что напряжение, при котором произойдет срабатывание компаратора, U порога, определяется выражением:

U_пор = - U_оп R1 / R2 , . . . (1)

Если теперь на компаратор (рис. 3) подать периодическое входное напряжение, то на выходе его формируется также периодическое напряжение типа “несимметричный меандр” (рис. 4).

рис. 4.

Зная закон изменения входного сигнала и параметры элементов схемы компаратора, можно определить временные параметры выходного сигнала t₁ и t₂ на рис. 4.

Выпускаемые промышленностью компараторы включают в себя, кроме ОУ, схему формирования уровня сигнала с тем, чтобы его можно было непосредственно подавать на вход цифровых интегральных микросхем.

Передаточная характеристика одного из таких компараторов может, например, иметь следующий вид (рис. 5).

рис. 5.

Здесь U¹ и U⁰ — уровни напряжения, соответствующие логической “1” и логическому “0” на входах цифровых микросхем.

Примером такого компаратора является микросхема К554СА2, исследуемая в данной работе.

3. Описание объекта и средств исследования.

Схема исследуемого узла представлена на рис. 6. Узел включает в себя блок компаратора и элементы испытательного устройства К32.

рис. 6.

3.1. Блок представляет собой одновходовый компаратор на микросхеме ДА-К554СА2, имеющей следующие электрические параметры:

— напряжение питания: U_П1 = +12 В, U_П2 = -6 В ;

— уровни сигналов на выходе: U¹ = ( 2.5 — 4 ) B ; U² = 0.3 B ;

— время переключения выходного напряжения с низкого на высокий уровень: t_зад^0.1 = 130 нс.

3.2.. Опорное напряжение подается через резистор R1 = 2.2 кОм со встроенного (в блок К32) генератора постоянного напряжения — ГН2, органы управления величиной напряжения которого расположены на передней панели блок а К32 в поле надписи “ГН2”. Напряжение с генератора ГН2 контролируется мультиметром Н3014 при нажатии кнопки “ГН2” под надписью “контроль V = “; на мультиметре при этом должна быть нажата кнопка “ - V ” рода измерения.

3.3. На неинвертирующий вход компаратора ДА кроме постоянного напряжения подается еще и переменный сигнал треугольной формы с генератора Л31, установленного на блоке К32 слева. Органы выбора формы сигнала, установки частоты сигнала и регулировки уровня (амплитуды) сигнала расположены на передней панели генератора. Сигнал с генератора снимается с выхода “10 B”, имеющего выходное сопротивление r_вых = 500 Ом. Его значение необходимо учитывать в дальнейшем при расчете порогового значения напряжения компаратора (п.4.1.3) , аналогично значению сопротивления резистора R1 на схеме рис.3.

Подключение мультиметра к выходу генератора для наблюдения формы сигнала и установки его заданной амплитуды производится нажатием кнопки “ГС1”под надписью “Контроль V ~”.

3.4. Наблюдение формы и измерение параметров выходного сигнала с компаратора осуществляется подключением мультиметра к выходу последнего нажатием кнопки “ Вх2”под надписью “Контроль V~”. Для измерения амплитуды или временных параметров выходного сигнала (а равно и напряжения с генератора ГС1) на мультиметре должны быть нажаты кнопки рода измерения соответственно, “~V” или “t”.

4. Порядок выполнения работы.

4.1. Пользуясь теоретическим материалом настоящей работы и конспектом лекций, самостоятельно разобрать работу исследуемого компаратора (рис. 6).

4.1.1. Изобразить передаточную характеристику исследуемого компаратора так, как это было изображено для другой схемы компаратора на рис. 3, с учетом уровней сигнала на выходе микросхемы (п. 3.1.).

4.1.2. Изобразить эпюры напряжений на входе и выходе исследуемого компаратора так, как это было изображено на рис. 4, для входного напряжения треугольной формы.

4.1.3. По эпюрам сигналов п. 4.1.2 и по параметрам входного сигнала треугольной формы F=1 / T и U_m и значению напряжений U_оп , заданных преподавателем отдельным для каждой бригады, рассчитать параметры выходного сигнала t₁ и t₂ .

4.1.4. Пользуясь электрическими параметрами микросхемы К554СА2 (п. 3.1.), определить амплитуду импульсов на выходе компаратора U_{m вых} , путем задания ее минимально- и максимально возможных значений :

U_{m вых} = (U_{m вых мин} + U_{m вых макс} ) В.

4.2. Проверить экспериментально работу компаратора в заданном режиме. Для этого:

4.2.1. Убедиться в том, что:

— выход гнезда ГС1 на блоке К32 проводником соединен с гнездом XS1 на плате;

— кнопка “ ВСВ / ВНК “ в поле надписи “КВУ” и аналогичные в поле надписи “коммутатор” — отжаты;

— кнопка “ВСВ / ВНК” над гнездом “ ГС1” — нажата;

— кнопки “ВСВ / ВНК” в поле надписей “ГН1” и “ГН2” соответственно нажата и отжата.

4.2.2. Контролируя сигнал на выходе генератора (п. 3.3) установить его параметры, заданные ранее преподавателем.

Примечание: Форма треугольного сигнала с генератора на экране мультиметра может наблюдаться искаженной (“срезан нижний зуб”). Это объясняется шунтированием выхода генератора вспомогательными цепями узла компаратора. Поэтому на время установки заданной амплитуды треугольного сигнала необходимо отключить входную цепь компаратора отжатием кнопки “ВСВ / ВНК” над гнездом “ГС1”.

4.2.3. Установить заданное опорное напряжение (п. 3.2) на генераторе ГН2 (регулируется двумя ручками в поле надписи “ГН2”.

4.2.4. Наблюдая сигнал на выходе компаратора, измерить его временные характеристики и амплитуду сигнала. Данные предварительного расчета и эксперимента занести в таблицу 1.

таблица 1.

4.2.5. Зарисовать в масштабе эпюры напряжений на входе и выходе компаратора в едином масштабе времени, аналогично эпюрам на рис. 4.

4.2.6. Изменяя в небольших пределах параметры входного сигнала и опорное напряжение, пронаблюдать изменение параметров выходного сигнала. Произвести качественную оценку изменений с краткой записью результата,

5. Содержание отчета.

1. Название и цель лабораторной работы.

2. Схема исследуемого узла.

3. Формулы для расчета, расчеты, график и эпюры сигналов по п.4.1.

4. Таблица и эпюры сигналов по п. 4.2.

5. Выводы по работе.

6. Контрольные вопросы.

1. Что называется аналоговым компаратором ?

2. Что является основой для построения схем аналоговых компараторов ?

3. В чем отличие между одновходовым и двухвходовым компаратором ?

4. Чем определяются уровни выходного напряжения компаратора ?

5. Из каких основных узлов состоит схема — компаратор ?

6. Чем определяется порог срабатывания одновходового компаратора ?

7. Качественно оцените параметры выходного сигнала исследуемого в работе компарато ра при подаче на его вход прямоугольного разнополярного сигнала.

7. Список рекомендуемой литературы.

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника — М. : Высшая школа, 1982.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Ч. I, II: Пер. с. англ. / Под. ред. М.В. Гальперина — М. : Мир., 1983.

3. Основы промышленной электроники / Под ред. В.Г. Герасимова — М. : Высшая школа , 1986.

4. Щербаков В.И., Гредов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях : Справочник. — Киев : Техника, 1983.

7