Компаратор нулевого уровня. Инвертирующая и неинвертирующая схемы
Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух входных сигналов, также это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам. В данной схеме (рис. 1) на неинвертирующий вход подается ноль, а на инвертирующий напряжение Uвх (обычно с амплитудой не более 15В). Входной сигнал имеет синусоидальную форму, а на выходе компаратора сигнал имеет прямоугольную форму (меандр). В компараторе напряжение Uвх сравнивается с нулем и в моменты, когда напряжение Uвх = 0 происходит переключение компаратора.
Рис. 1. Схема компаратора нулевого уровня
Из графиков видно, что сдвиг по фазе между входным сигналом и первой гармоникой выходного сигнала составляет 180 градусов (Δφ = 180º). Если подавать напряжение Uвх на неинвертирующий вход, а Uвх = 0 на инвертирующий, то такой сдвиг по фазе составляет ноль градусов (Δφ = 0º).
Компаратор ненулевого уровня
В данной схеме входное напряжение сравнивается с ненулевым опорным напряжением (Uоп ≠ 0). Опорное напряжение подается с резистивного делителя напряжения, выполненного на резисторах R1 и R2. Необходимую величину опорного напряжения легко получить с помощью подбора резисторов R1 и R2. В моменты, когда входное напряжение сравнивается с опорным напряжением, происходит переключение компаратора.
Относительная продолжительность включения – это отношение продолжительности t1 состояния выхода компаратора с положительным напряжением Uвых >0 к периоду T выходного напряжения
Рис. 2. Схема компаратора ненулевого уровня
Компараторы, представленные на схемах (рис. 1 – 2), имеют ряд недостатков, одним из основных является дребезг выходного напряжения при повышенном уровне шумов во входном сигнале.
Схема операционного усилителя с положительной обратной связью (Триггер Шмидта)
Триггер Шмитта или схема компаратора с положительной обратной связью позволяет устранить недостатки простых схем компаратора (рис. 3), избежать дребезга выходного напряжения, возникающего вследствие неизбежного наличия шумов во входном сигнале
В триггере Шмитта на инвертирующий вход подаѐтся входной сигнал, а на неинвертирующий поступает сигнал положительной
обратной связи – опорное напряжение Uоп. Величину опорного напряжения можно регулировать с помощью резисторов R1 и R2. В цепи отрицательной обратной связи два стабилитрона VD1 и VD2 включены встречно — последовательно. Данные стабилитроны предназначены для ограничения амплитуды выходного прямоугольного сигнала на некотором заданном уровне.
Регулировочная характеристика триггера Шмитта представляет собой прямоугольную петлю гистерезиса. Это позволяет использовать схему в качестве формирователя прямоугольных импульсов из некоторого входного напряжения, в частности, из синусоидального.
Рассмотрение работы схемы начнѐм с момента t = 0. В данной схеме входное напряжение Uвх сравнивается с положительным опорным напряжением Uоп, и как только входное напряжение превысит опорное напряжение, схема переключится и на выходе появится отрицательное напряжение.
После момента переключения входное напряжение, достигнув некоторого максимального значения, снова уменьшится до величины, равной входному напряжению в момент переключения, однако компаратор не переключится. Это связано с тем, что
опорное напряжение снимается с резистивного делителя, подключенного к выходу компаратора, и изменение знака выходного напряжения при переключении приводит к изменению знака опорного напряжения. В дальнейшем входное гармоническое напряжение не только спадает до нуля, но меняет свой знак и увеличивается до величины равной отрицательному опорному напряжению. Именно в этот момент будет происходить переключение схемы и на выходе установится положительное выходное напряжение.
Рис. 3. Триггер Шмидта
Схема триггера Шмитта не реагирует на шумы, т.е. переключение происходит только в те моменты, когда входное напряжение превышает модуль опорного напряжения
Операционный усилитель с положительной обратной связью и односторонней петлёй гистерезиса
Как можно видеть из рисунка 4, отличие данной схемы от схемы триггера Шмитта состоит в наличии в цепи положительной обратной связи диода VD1.
Рис. 4. Схема операционного усилителя с положительной обратной связью и односторонней петлей гистерезиса
Данный диод, находящийся в цепи положительной обратной связи, необходим для подачи на неинвертирующий вход отрицательного опорного напряжения, что приводит к уменьшению ширины петли гистерезиса в два раза.
См. также: Использование встроенного модуля компаратора в контроллерах Microchip PIC. Приемы, трюки, лайфхаки…
Цитата: «В компараторе напряжение Uвх сравнивается с нулем и в моменты, когда напряжение Uвх = 0 происходит переключение компаратора».
Строго говоря, переключение происходит в момент Uвх < 0.
Цитата: "В цепи отрицательной обратной связи два стабилитрона VD1 и VD2 включены встречно — последовательно. Данные стабилитроны предназначены для ограничения амплитуды выходного прямоугольного сигнала на некотором заданном уровне."
На схеме рис.3 стабилитроны отсутствуют. Так же, как и Отрицательная Обратная Связь, впрочем… Кроме того, если бы ООС через стабилитроны и была, она бы ничего не ограничивала, а вызывала бы непрерывную генерацию.
Цитата: "Схема триггера Шмитта не реагирует на шумы …".
На самом деле, Триггер Шмитта НЕ защищает от шумов, поскольку переключается по шумам точно также, как и по полезному входному сигналу. И Положительная Обратная Свяь в этом случае только ускоряет процесс переключения. Таким образом, по устойчивости к шумам Триггер Шмитта ничуть не лучше Компаратора.
Цитата: "Данный диод, находящийся в цепи положительной обратной связи, необходим для подачи на неинвертирующий вход отрицательного опорного напряжения, что приводит к уменьшению ширины петли гистерезиса в два раза."
Ширина петли гистерезиса определяется соотношением резисторов R1 и R2.
А диод не только не нужен, но и вреден,- он блокирует подачу положительного опорного напряжения. Отрицательный — то порог задан, а вот положительного Нет.