Пороговые устройства

2. Пороговые устройства

2.1. Компараторы

Компаратор – это устройство, осуществляющее сравнение двух напряжений, одно из которых называют измеряемое , а второе – опорное .

На схемах компараторы обозначают (рис. 2.1):

Рис. 2.1

Компаратор работает следующим образом:

Если дифференциальное напряжение  больше нуля, то выходное напряжение принимает высокий уровень (для универсальных компараторов) или значение соответствующее логической единице для специализированных компараторов. Если дифференциальное напряжение  меньше нуля, то выходное напряжение принимает низкий уровень (для универсальных компараторов) или значение соответствующее логическому нулю для специализированных компараторов. При равенстве исследуемого и опорного напряжений, т.е. при  значение выходного напряжения неопределенно.

Таблица 1

Выражения в таблице 1 записаны для случая подачи измеряемого напряжения  на инвертирующий вход, а опорного напряжения  на неинвертирующий вход (рис.2.1). При этом дифференциальное напряжение .

Исторически сложилось, что в качестве компараторов применяются операционные усилители. Поэтому основные параметры компараторов аналогичны параметрам операционного усилителя (ОУ). Отличие состоит в том, что компараторы имеют большие коэффициенты усиления дифференциального сигнала, меньшее напряжение смещения и больше скорости изменения выходного напряжения.

По устройству выходного каскада компараторы подразделяются на специализированные, предназначенные для работы с цифровыми (логическими) микросхемами и универсальные, предназначенные для работы совместно с различными устройствами. Уровни выходных напряжений специализированных компараторов согласованы с уровнем логических нулей и логических единиц цифровых микросхем.

У универсальных компараторов выходной каскад имеет следующее устройство:

                                       

Рис. 2.2

Пусть коммутатор КМ находится в положении 1. При этом, если выполняется неравенство (2) из таблицы 1, то транзистор VT выходного каскада компаратора открыт и напряжение на выходе равно , что соответствует низкому уровню напряжения. Если выполняется неравенство (1) из таблицы 1, то транзистор VT закрыт и напряжение на выходе , где напряжение  – падение напряжения на резисторе , т.е. близко к напряжению питания +. Это соответствует высокому уровню напряжения.

Если КМ перевести в положение 2, то для случая выполнения неравенства (1) из таблицы 1 напряжение на выходе останется  ,, а для случая выполнения неравенства (2) низкий уровень выходного напряжения составит  .

Выходной сигнал специализированного компаратора воздействует на входы логических элементов и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Такой  компаратор является элементом перехода от аналоговых к цифровым сигналам и поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

2.1.1. Временные диаграммы поясняющие работу компаратора

Временные диаграммы приведены для компаратора у которого измеряемое напряжение поступает на неинвертирующий вход.

                                                            Рис.2.3

Из временной диаграммы видно, что переключение компаратора происходит за некоторое время t_ПК, начинающийся от момента превышения входным (исследуемым)  напряжением опорного напряжения U_О.

Уровни выходного напряжения u_ВЫХ  2,4 В и 0.4 В соответствуют логической единице и логическому нулю.

2.1.2. Компаратор нулевого уровня

Компаратор нулевого уровня – это  компаратор у которого опорное напряжение равно нулю.

2.1.3. Применение операционного усилителя в качестве компаратора

ОУ могут применяться в качестве компаратора, при этом необходимо учитывать снижение характеристик компаратора. Выходные уровни таких компараторов соответствуют максимально возможному положительному и отрицательному напряжению на выходе операционного усилителя.

При необходимости изменить уровень выходного сигнала можно использовать различные схемы, например диодно-резистивные цепи.

Рис.2.4

В подобной схеме напряжение на выходе при отсутствии резистивного делителя u_вых.1=U_п.1-U_VD, где  – прямое падение напряжения на диоде.  C помощью диода исключается появление отрицательного напряжения на выходе.

 Резистивный делитель, образованный  и , обеспечивает требуемый уровень входного напряжения U_вых.2 при формировании логической единицы.

2.2. Триггеры Шмитта.

Триггеры Шмитта (ТШ) – это компараторы, у которых изменение выходного сигнала с высокого уровня на низкий и обратно происходит при разных уровнях входного напряжения. 

2.2.1. Симметричный инвертирующий ТШ

Симметричный инвертирующий ТШ (рис.2.5,а) выполняется на базе ОУ. Он имеет симметричную относительно начала координат передаточную характеристику, приведенную на рис. 2.5,б.

  

   Рис.2.6

В состав триггера Шмитта кроме ОУ входит резистивный делитель напряжения, образованный резисторами  и  (рис.2.6). Входное напряжение делителя  одновременно является выходным напряжением ТШ, т.е. . Выходное напряжение делителя  одновременно является напряжением  триггера (рис. 2.5,а). Коэффициент передачи делителя:

                                                                             (2.1)

Определим коэффициент передачи через параметры делителя. Пусть через резисторы делителя проходит ток . Тогда напряжения:

  и .                               (2.2)

После подстановки (2.2) в (2.1) и преобразования получим: .                                                        (2.3)

Рассмотрим работу ТШ. Пусть напряжение  на входе ТШ равно  и на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 1. Напряжение на выходе ТШ    , где  – максимальное положительное напряжение на выходе ОУ. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ – напряжение  с учетом (2.3) равно:

,                                                (2.4)

где  – так называемое напряжение срабатывания ТШ. При увеличении входного напряжения, например до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 2. При дальнейшем увеличении входного напряжения до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение , но поскольку выполняется равенство , соответствующее строке 3 таблицы 1, то выходное напряжение ТШ становится неопределенным, но меньшим чем . Это согласно (2.4) приводит к снижению напряжения , поступающего на неинвертирующий вход ОУ. При этом начнет выполняться неравенство строки 2 таблицы 1 и напряжение на выходе ОУ (выходе ТШ) примет значение  , т.е. будет равно максимальному отрицательному напряжению на выходе ОУ. Рабочая точка на передаточной характеристике перейдет в положение .

         Напряжение на неинвертирующем входе ОУ

         ,                                        (2.5)

где  – так называемое напряжение отпускания ТШ. При дальнейшем увеличении входного напряжения, например до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 4.

         При снижении входного напряжения ТШ его переключение произойдет только тогда, когда входное напряжение станет равным напряжению отпускания . Это приведет к смене знака входного дифференциального сигнала ОУ и вместо неравенства 2 таблицы 1 станет выполняться неравенство 1. Это приведет к переходу рабочей точки из положения  в положение  (рис. 2.5,б).

         Уровни входного напряжения – пороги срабатывания и отпускания определяются выражениями (2.4) и (2.5). В случае равенства по абсолютному значению напряжений  и  также по абсолютному значению равны пороги срабатывания и отпускания, что позволяет говорить о симметрии передаточной характеристики.  

2.2.2. Несимметричный инвертирующий ТШ

Несимметричный инвертирующий ТШ (рис.2.7,а) также выполняется на базе ОУ. Он имеет передаточную характеристику несимметричную относительно начала координат и приведенную на рис. 2.7,б.                                 

                

         Устройство и принцип действия несимметричного инвертирующего ТШ аналогичны устройству и принципу действия симметричного инвертирующего ТШ (рис. 2.5,а). Отличие состоит в том, что в несимметричном инвертирующем ТШ параллельно резистору  делителя напряжения дополнительно введены резистор  и диод .

          При положительном напряжении на выходе схемы равном  диод закрыт и резистор  отключен. Поэтому коэффициент передачи делителя определяется выражением (2.3) и равен:

.                                                                                    (2.6)

При отрицательном напряжении на выходе схемы равном  диод открыт и резистор  подключен параллельно резистору . При этом пренебрегаем падением напряжения на диоде, т.е. считаем диод  идеальным. Поэтому коэффициент передачи делителя определяется выражением аналогичным (2.3) и равен:

,                                                                                    (2.7)

где сопротивление резистора  равно сопротивлению параллельно включенных резисторов  и .

Напряжения срабатывания  и отпускания  несимметричного инвертирующего ТШ определяются по выражениям (2.4) и (2.5), при замене в них коэффициента передачи  на коэффициенты передачи  и , соответственно. Поскольку <, то  и, следовательно, по абсолютной величине напряжение отпускания больше напряжения срабатывания. Поэтому передаточная характеристика (рис. 2.7,б) не симметрична относительно начала координат. 

2.2.3. Несимметричный инвертирующий ТШ с источником смещения

Несимметричный инвертирующий ТШ с источником смещения (рис.2.8,а) также выполняется на базе ОУ. Он имеет передаточную характеристику несимметричную относительно начала координат и приведенную на рис. 2.8,б.

Устройство и принцип действия несимметричного инвертирующего ТШ с источником смещения аналогичны устройству и принципу действия симметричного инвертирующего ТШ (рис. 2.5,а). Отличие состоит в том, что в несимметричном инвертирующем ТШ последовательно с резистором  делителя напряжения дополнительно включен источник смещения – источник напряжения  Е.

         Напряжения срабатывания и отпускания этого несимметричного инвертирующего ТШ определяются по выражениям:

         и ,                                               (2.8)

где напряжения  и  – падения напряжения на резисторе  при положительном и отрицательном напряжениях на выходе схемы, соответственно. Напряжения  и  могут быть определены с использованием коэффициента передачи делителя, определяемого (2.3):

  и ,

где напряжения   и  – напряжения на входе делителя (напряжения на резисторах  и ) при положительном и отрицательном напряжениях на выходе схемы, соответственно.

         При отличном от нуля значении ЭДС источника напряжения Е передаточная характеристика (рис. 2.8,б) не симметрична относительно начала координат. 

2.2.4. Неинвертирующий симметричный ТШ

Симметричный неинвертирующий ТШ (рис.2.5,а) выполняется на базе ОУ. Он имеет передаточную характеристику симметричную относительно начала координат и приведенную на рис. 2.5,б.

         Рассмотрим работу схемы. Будем считать ОУ, который используется в качестве компаратора, идеальным. У него входные токи  и ЭДС смещения  равны нулю. Пусть напряжение на входе схемы . При этом рабочая точка на передаточной характеристике занимает положение 1. Напряжение  в общей точке резисторов  и  меньше нуля, т.к. напряжения  и  меньше нуля. Дифференциальное напряжение  также меньше нуля и выполняется неравенство 2 таблицы 1.

         Пусть напряжение  на входе схемы возрастает и при некотором положительном напряжении , называемом напряжением срабатывания, напряжение  становится равным нулю. Поскольку инвертирующий вход ОУ соединен с общим проводом схемы, то нам нем нулевое напряжения, а, следовательно, дифференциальное напряжение  также становится равным нулю. Согласно строке 3 таблицы 1 выходное напряжение становится неопределенным, но большим чем  – минимальное напряжение на выходе ОУ. Поэтому рабочая точка на передаточной характеристике (рис. 2.9,б) начинает движение из положения  к положению . Напряжение на выходе схемы возрастает и поэтому напряжение  и дифференциальное напряжение  становятся больше нуля. При этом выполняется неравенство 1 таблицы 1 и выходное напряжение становится равным  – максимальному напряжению на выходе ОУ. Обратное переключение ОУ произойдет при уменьшении напряжения нам входе схемы до некоторого отрицательного напряжения , называемого напряжением отпускания.

         Определим значения напряжений порогов срабатывания и отпускания. Для узла в точке соединения резисторов  и  можно записать:

            или с учетом ,

         .                                                                                            (2.9)

         Поскольку в момент начала переключения ТШ, когда рабочая точка на его передаточной характеристике (рис. 2.9,б) занимает положение  или , дифференциальное напряжение , то токи через резисторы  и  определяются как  и . Подставив значения токов  и  в (2.9)  и преобразовав, получим:

         .                                                                                   (2.10)

Напряжение срабатывания  – это то входное напряжение, при котором происходит изменение выходного напряжения от  до . Поскольку в момент начала переключения напряжение на выходе ТШ , то подставив его значение в (2.10) получим напряжение срабатывания:

.                                                            (2.11)

Поскольку , то .

Напряжение отпускания  – это то входное напряжение, при котором происходит изменение выходного напряжения от  до . Поскольку в момент начала переключения напряжение на выходе ТШ , то подставив его значение в (2.10) получим напряжение отпускания:

.                                                            (2.12)

Поскольку , то .

2.2.5. Триггер Шмитта на основе универсального компаратора

         В том случае, когда предъявляются повышенные требования к скорости изменения  и к стабильности уровней напряжения на выходе, то ТШ выполняют на основе специализированных компараторов. Схема такого ТШ приведена на рис.2.10,а. Передаточная характеристика такого ТШ приведена на рис.2.10,б.

              Рассмотрим работу схемы (рис.2.10,а) для случая, когда . Пусть напряжение нам входе схемы . Дифференциальное входное напряжение  и  выходной транзистор компаратора закрыт. При этом рабочая точка на передаточной характеристике (рис.2.10,б) занимает положение 1 и выходное напряжение имеет высокий уровень равный (близкий к напряжению питания ). Диод VD закрыт, т.к. напряжение на его катоде равно выходному и близко к . Напряжение на аноде диода, равно  и существенно меньше . Определим напряжение . Примем входной ток  компаратора равным нулю. Учитывая, что диод VD закрыт, определим напряжение  через параметры делителя, используя выражение (2.3):

         .                                                          (2.13)

Напряжение  при высоком уровне выходного напряжения, определяемое по (2.13), равно напряжению срабатывания ТШ . При увеличении входного напряжения ТШ  до уровня напряжения срабатывания  рабочая точка переходит в положение  (рис.2.10,б), а дифференциальное входное напряжение . Выполняется равенство строки 3 таблицы 1. Транзистор выходного каскада компаратора начинает открываться и появляется ток в цепи:  – диод VD – резистор  – ОК – ОЭ (открытые коллектор – эмиттер транзистора компаратора) – общий провод. При этом напряжение  начинает уменьшаться и дифференциальное входное напряжение . В соответствие с таблицей 1 на выходе компаратора появляется низкий уровень напряжения , а рабочая точка перейдет в точку . При этом транзистор выходного каскада компаратора полностью откроется и схема делителя напряжения принимает вид, приведенный на рис. 2.11.

                         

Рис.2.11

         Определим напряжение  при низком напряжении на выходе компаратора, используя схему делителя (рис.2.11). Для точного расчета нужно учитывать падения напряжения на открытых диоде  и транзисторе . Для упрощенного расчета можно пренебречь падением напряжения на открытых диоде  и транзисторе , т.е. считать  и .  При этом коэффициент передачи делителя , где эквивалентное сопротивление  равно сопротивлению параллельно включенных резисторов  и . С учетом коэффициента передачи делителя напряжение  при низком напряжении на выходе компаратора, называемое напряжение отпускания , определится:

         .

         Изменение напряжения на выходе ТШ с низкого уровня  на высокий  произойдет при снижении входного напряжения  до напряжения отпускания . При этом рабочая точка перейдет из положения  в положение .

         Низкий уровень напряжения нам выходе ТШ равен напряжению насыщения транзистора выходного каскада компаратора .

2.2.6. Устранение эффекта «дребезга контактов» с помощью триггера Шмитта

         При коммутации электрической цепи посредством механического ключа в окрестности момента коммутации возможно многократное прерывание и возобновление тока. Это вызвано, во-первых, микронеровностями контактов,  и во-вторых, вибрацией контактов – «дребезгом». В электронных схемах, содержащих пороговые устройства, возможно аналогичное по внешним проявлениям явление многократного возникновения тока в окрестности момента переключения, называемое по аналогии «дребезгом контактов».

Рассмотрим причину возникновения «дребезга контактов» в схеме с компаратором напряжения (рис.2.12).

                                        

Рис.2.12

 Пусть генератор импульсов (ГИ) удален от компаратора DA на некоторое расстояние и сигнал на вход компаратора поступает от ГИ по так называемой «длинной линии». На рис. 2.13,а приведены временные диаграммы сигналов на входах и выходе компаратора. Явление многократного изменения напряжения (тока) на выходе компаратора возникает внутри интервалов  – и  –  изменения входного сигнала . Рассмотрим более детально область 1 (диаграмма  на рис.2.13,а). Укрупнено эта область и соответствующая ей временная диаграмма  приведены на рис.2.13,б. Входной сигнал  на интервале времени  – возрастает, но из-за наличия в нем переменной составляющей многократно пересекает уровень опорного напряжения . Поэтому выходное напряжение  многократно изменяется от низкого к высокому уровню. Наличие переменной составляющей входного сигнала – помехи, объясняется наведенной в «длинной линии» ЭДС из-за наличия переменного электромагнитного поля в пространстве окружающем линию.

                                  а.                                                              б.

Рис.2.13

         Устранить явление «дребезга контактов» при приеме сигнала от ГИ по «длинной линии» можно путем замены компаратора на ТШ. Схема такого устройства приведена на рис.2.14,а. На рис.2.15,а приведена передаточная характеристика ТШ, использованного в устройстве. На рис. 2.15,б приведена временная диаграмма, поясняющая работу устройства и аналогичная диаграмме приведенной на рис.2.13,б. Возрастающий входной сигнал  (рис.2.15,б) достигает порога срабатывания  в момент времени , что приводит к переключению ТШ. При уменьшении входного сигнала, после момента времени , обратного переключения ТШ не происходит, поскольку входной сигнал остается больше порога отпускания .

Рекомендуем посмотреть лекцию "57 Методика расследования причинения телесных повреждений".

Рис.2.14

 Для исключения явление «дребезга контактов» необходим вместо компаратора применить ТШ с шириной петли гистерезиса  большей, чем амплитудное значение  сигнала помехи, т.е. .

                                    а.                                                            б.

Рис.2.15