Что такое компаратор и триггер Шмидта

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 Шмитта)

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 петлѐй 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…


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *