Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Нерезистивные элементы До сих пор мы рассматривали только резисторы в цепях ОУ. Однако можно использовать и другие пассивные элементы, такие как конденсаторы и катушки индуктивности, для формирования частотнозависимых цепей. Уравнения ОУ останутся прежними, но с учетом следующих ограничений: ° Сопротивления в цепи ОУ необходимо представить в комплексном виде. ° Следует принять во внимание частотные характеристики ОУ, такие как спад на высокой частоте и т. п. ° Нужно следить, чтобы напряжение на входах ОУ не вышло за заданные пределы.
За счет накопления энергии в индуктивностях и емкостях, реактивные цепи могут создать значительные броски напряжения. ° Также следует ограничивать выходные параметры, такие как амплитуда и скорость нарастания напряжения до значений, характерных лля данного ОУ. Обращение входов В некоторых применениях необходимо обратить, т. е. поменять, входы ОУ. На Рис. А.2 показан подобный случай.
Операционный усилитель управляет н-р-и-транзистором ЪТ! через токоограничивающий резистор В1. К коллекгорутранзистора подключена резистивная нагрузка. Данная цепь будет полезна, если потребуется управлять нагрузкой большим током, чем способен дать ОУ. В данной схеме, точка соединения коллектора УТ1 и нагрузки соединяется с неинвертирующим входом ОУ, а входной сигнал подается на инвертируюший вход.
Может показаться, что в схеме отсутствует обратная связь, но зто не так. Инвертирующнй и неинвертирующий входы меняют- 320 ° Приложсеиие А. Операционные усилители ся местами, так как транзистор УГ1 работает как инвертирующий усилитель. В этом случае схема функционирует как повторитель, в котором напряжение на коллекторе ЪТ1 следует за напряжением на входе ОУ. Вместо транзистора можно использовать другой ОУ, включенный по схеме инвертора. Цепь включения обратной связи останется такой же. Некоторые операционные усилители снабжаются прямыми и инверсными выходами, что упрощает проектирование подобных цепей. +и Активная нагртака Входное напряжение Рис.
А.2. Схема с обращением входов ОУ Компараторм На Рис. А.З показано включение ОУ в режиме комларатора. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а к неинвертирующему входу подключен источник опорного напряжения. Допустим, ОУ питается от однополярного источника напряжения +5 В. Величина опорного напряжения составляет +2.5 В, а входное напряжение равно 1 В. Основное уравнение работы ОУ следующее: Р.=А,11;-1 1. Опорное напряжение в — 1~ напряжение Выход Входное напряжение Опорное напряжение Рис.А.З.
Принцип работы компаратора Прилонеение А. Операционные усилители ° 321 Если коэффициент усиления ОУ равен 100000, то на выходе должно быть: 100000 (2.5 — ! ) = 150000 В. Естественно, операционный усилитель произвести такое напряжение не в состоянии, поэтому на выходе ОУ установится напряжение, близкое к напряжению питания ч-5 В, то есть напряжение насыщения ОУ. Теперь предположим, что напряжение на входе увеличилось до +4 В.
Произведя подобные вычисления, получим †1500 В на выходе. Естественно, на выходе ОУ напряжение составит где-то около 0 В. Функция компаратора — устанавливать на выходе высокий уровень, когда напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на неинвертирующем, и устанавливать низкий уровень в противоположном случае. Компаратор — пример однобитного АЦП. Компараторы обычно применяются для определения того, выше или ниже входное напряжение определенной ступеньки, формируя, таким образом, цифровую индикацию некоторого условия.
Хотя в качестве компаратора можно использовать любой ОУ, лучше применять специализированную ИС. Данные микросхемы мало отличаются от ОУ, но оптимизированы для работы в качестве компаратора и обычно обладают меньшим коэффициентом усиления, но большей скоростью нарастания выходного сигнала. Выпускаются также компараторы с открытым коллектором на выходе, чтобы уровни выходного напряжения можно было установить отличными от напряжения питания. Например, напряжение питания компаратора составляет +!2 В, но выход с ОК (открытым коллектором) позволяет подключить на выходе резистор так, чтобы выходные уровни были +5 В или +З.З В для согласования с последующими логическими цепями.
Гистерееис Что произойдет на выходе компаратора, если напряжения на его входах окажутся довольно близки друг к другу? На Рис.А.4 иллюстрируется подобная ситуация. Если входное напряжение возрастает довольно медленно относительно опорного напряжения, разница между входными сигналами может оказаться настолько малой, что выходной сигнал не сможет переключиться в заданный уровень. В результате, устройство будет работать как линейный усилитель, и выходное напряжение станет плавно изменяться в определенном интервале. Другая проблема, также показанная на Рвс. А.4, вызывается шумами входного сигнала на фоне его медленного нарастания.
При небольшой 322 ° Прилажение А. Операционные уснлигнели разнице между входным и опорным напряжениями, входные шумы малой амплитуды могут привести к многократным переключениям выходного сигнала между высоким и низким уровнями. Если компаратор подключен так, что должен вызывать прерывание микропроцессора, такие переключения могут привести к реальным проблемам.
Выход Входное напряжение Опорное напряжение Вход Опорное напряжение од Выход ыход Вливние медленно изменяющегося зашумленного входного напряжения Рес. А.4. Медленно изменяюшиеся сигналы иа входе компаратора Один из способов избежать проблем, связанных с медленно изменяюшимися входными сигналами — добавление в схему комнараглора цепи гисгнерезиса. На Рис. А.5 показана такая же схема включения компаратора, что и на Рис.
А.4, но с добавлением цепи гистерезиса. Резистор К2 подключен между выходом компаратора и неинвертируюшим входом. Второй резистор К1 соединяет неинвертирующий вход и источник опорного напряжения. Допустим, компаратор питается от однополярного источника напряжения +5 В. Входное напряжение медленно поднимается от 1 до +2.5 В. На выходе будет высокий уровень, поэтому напряжение на входе Чт определяется по следующей формуле: <Р;-и1хй, Для высокого уровня Г, = 5 В, Р = 2.5 В, Я, = 1 кОм и Яз = 100 кОм, напряжение на выводе Ч+ будет равно 2.5247 В. Следовательно выходной сигнал не переключится до тех пор, пока на входе не установится 2.5247 В. ПринонсениеА. Операционные усидители ° 323 йг Опорное напряжение Входное напряжение Выход Чо Опизное напряжение Чг Чпвг Чм ходное напряжение) ( ~ ) Точка перекпючения,когда на выходе высокийуровень Ог Точка переключения, когданавыходе низкийуровень Время, необходимоедпя перекпючения от Ч+ к новой величине зависит от скорости нарастания выходного сигнапа и емкости входа Чч Вход Чг тго Рис.
А.5. Компаратор с гнстсрсзисом Как только входное напряжение достигнет этой величины, на выходе уровень станет меняться. Так как напряжение К, зависит от Р;, оно будет изменяться при изменении выходного напряжения. Когда )к, достигнет минимальной величины (В В), на входе Ч+ установится новая величина. Резисторы К! и К2 по-прежнему образуют делитель напряжения между г; и )гч, но напряжение на выходе Ч, уже другое. Таким образом, если вьтчислить новую величину для Кю мы получим 2.475 В. Входной сигнал должен пересечь теперь уже зту величину, чтобы переключить выходной сигнал обратно в высокий уровень. Однако мы получили данное значение, когда 324 ° Прилолеение А. Олераиионные усилители входной сигнал пересек напряжение 2.5247 В, следовательно появилась некоторая ступенька изменения входного напряжения, равная 2.5247 — 2.475 = 0.049 В, которую необходимо преодолеть, чтобы компаратор переключился.
Гистерезис этой цепи равен 0.049 В. Любой шум на входе цепи с амплитудой, меньшей 0.049 В не окажет никакого влияния на выходной сигнал. Преимущества применения гистерезиса: ° Более быстрое переключение. Как только состояние на выходе начинает изменяться, следом изменяется и уровень на входе К„быстрее проходя диапазон, где усиление линейно. Это изменение 1л, ускоряет изменение 1л„что в свою очередь влияет на 1л, и т. д.
° Лучшая зашита от шумов. Уровень шума на входе должен превысить ступеньку гистерезиса, чтобы повлиять на выходной сигнал. ° Работа схемы на линейном участке меньше зависит от изменений коэффициента усиления реальных компонентов. Однако схема с гистерезисом обладает и определенными недостатками. Поскольку выходной сигная компаратора не может измениться мгновенно, некоторое время компаратор работает в линейном режиме, и входные шумы могут повлиять на выходной сигнал.
Это время зависит от быстродействия компаратора (задержка распространения сигнала и скорость нарастания выхолного напряжения) и емкости неинвертирующего входа. Тем не менее, применение гистерезиса позволяет значительно снизить время нахождения компаратора в линейной области. Другой недостаток гистерезиса в том, что опорное напряжение компаратора оказывается зависимым от величины выходного напряжения ~; и погрешностей резисторов К1 и К2. Некоторые ИС компараторов снабжены встроенной схемой гистерезиса с амплитудой в несколько милливольт. Однако применение внешних резисторов позволяет установить требуемые для данного приложения уровни напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
