2.9 Аналоговая часть измерительного прибора

2.9.1 Аналоговые компараторы

Блоки многих цифровых устройств работают с аналоговыми сигналами и часто требуют сравнения напряжений. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения двух аналоговых сигналов: один называют опорным, а другой – измеряемым или входным. Когда входной сигнал чуть превысит опорный, напряжение на выходе компаратора резко изменится. Обычно выходной сигнал компаратора поступает на цифровой элемент, который различает напряжения только двух уровней: один соответствует лог. 1, а другой – лог. 0.

Наличие двух входов и большой коэффициент усиления интегральной микросхемы операционного усилителя (ОУ) позволяют построить компаратор на ее основе. На рисунке 2.36 приведена схема компаратора для сравнения однополярных сигналов.

Рисунок 2.36 – Схема и диаграммы работы компаратора для сравнения однополярных сигналов

Полярность u_вых определяется большим из напряжений U_оп и u_х.

До момента времени t₁ (рисунок 2.35, б) U_оп>u_x, т.е. полярность напряжения u_вых совпадает с полярностью напряжения U_оп и u_вых = U⁺_нас. Вслед за равенством (в момент t₁) напряжение u_x начинает превышать U_оп. Теперь полярность u_вых будет определяться напряжением u_x на инвертирующем входе и окажется противоположной u_x. При весьма незначительном превышении u_x над U_оп, т.е. практически в момент t₁ напряжение на выходе установиться равным U⁺_нас. В момент t₂ времени вновь наступает равенство сигналов, вслед за которым u_x становиться меньше U_оп – напряжение на выходе скачком переходит от U^-_нас к U⁺_нас.

Статическая характеристика компаратора u_вых = f(t) (рисунок 2.36, б), данная пунктиром соответствует идеальному компаратору (считается, что переключение u_вых происходит мгновенно в момент равенства u_x и U_оп), а сплошная линия – реальному компаратору: переключение начинается с некоторым запаздывание относительно t₁ и t₂ длиться определенное время.

Если в схеме, приведенной на рисунке 2.36,а U_оп = 0, то компаратор переключается при u_x = 0 и называется детектором нулевого уровня.

Часто аналоговый компаратор работает на вход цифрового устройства. Чтобы выходное напряжение компаратора принимало при этом значения только логических потенциалов, используют ограничитель (рисунок 2.37). Если диоды VD1 и VD2 выбраны с таким расчетом, что напряжение на в пропускном направлении (при u_вых > 0) составляет порядка +0,7В, а на диоде близко к 0 (при u_вых < 0), то выходное напряжение компаратора будет иметь одно из двух значений: U¹ = +2,7В, U⁰ = 0В.

Рисунок 2.37 – Схема компаратора на ОУ с ограничением по уровню сигналов

Основной недостаток аналоговых компараторов на ОУ – низкое быстродействие. Более высоким быстродействием обладают специализированные микросхемы компараторов, выпускаемые промышленностью. В структурном отношении они отличаются от микросхем ОУ главным образом наличием узла ограничения выходного напряжения на уровнях U_вых¹, U_вых⁰.

2.9.2 Дифференцирующие цепи

Ток через конденсатор связан с напряжением нам нем дифференциальной зависимостью . Чтобы воспользоваться результатом дифференцирования, нужно создать напряжение, пропорциональное току. Это имеет место в цепи, в которой выходное напряжение снимается с резистора R (рисунок 2.38)

, где .

Рисунок 2.38 – Дифференцирующая RC-цепь

Рассмотрим реакцию цепи на прямоугольный импульс длительностью t_и (рисунок 2.39). В момент t₁ к цепи прикладывается напряжение u_вх=U_m. Так как конденсатор C мгновенно зарядиться не может, то скачок напряжения выделяется на выходе. При малой постоянной времени τ зарядка конденсатора происходит сравнительно быстро, а напряжение на выходе с той же скоростью стремится к нулю – на выходе формируется положительный остроконечный импульс с амплитудой U_m. С момента окончания входного импульса в цепи действует только напряжение u_С, которое через генератор импульсов (его внутреннее сопротивление считаем равным нулю) прикладывается к выходу, т.е. U_вых с точностью до знака повторяет напряжение u_С. Поэтому в момент t₂ на выходе цепи появляется напряжение U_m с отрицательной полярностью на нижнем выводе резистора R и с положительной полярностью на нижнем выводе (рисунок 2.38). Этот отрицательный перепад быстро спадает до 0, так как конденсатор быстро разряжается – на выходе формируется отрицательный остроконечный импульс.

Рисунок 2.39 – Реакция дифференцирующей цепи на воздействие прямоугольного импульса

RC-цепь с постоянной времени, много меньшей длительности входного импульса, называют дифференцирующей. Наиболее часто такую цепь используют для дифференцирования прямоугольных импульсов, в результате которого получаются короткие остроконечные импульсы. Поэтому дифференцирующую цепь также называют укорачивающей и обостряющей.

Остроконечные импульсы широко используются, в частности для запуска импульсных устройств. Сохраняя, по существу, крутой фронт исходного прямоугольного импульса, остроконечный импульс спадает настолько быстро, что не влияет на последующую работу запускаемого устройства.

Схема дифференциатора на операционном усилителе приведена на рисунке 2.40.

Рисунок 2.40 – Схема дифференциатора на операционном усилителе