Juliusz Hanus 24.11.97

Tomasz Gronowicz

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 11

Temat: Komparatory napięcia.

Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z właściwościami komparatorów i pomiar parametrów określających ich dokładność na przykładzie detektora przejścia przez zero i komparatora okienkowego.

A) Schematy układów pomiarowych

Schemat 1 (Detektor przejścia przez zero: układ do wyznaczenia napięcia niezrównoważenia U_OS)

Schemat 2 (Detektor przejścia przez zero: układ do wyznaczenia charakterystyki przejściowej Uwy = f(Uwe), czasu odpowiedzi impulsowej tr i szybkości zmiany napięcia wyjściowego ΔUwy/Δt )

Schemat 3 (Komparator okienkowy: układ do wyznaczenia charakterystyki przejściowej Uwy = f(Uwe) )

B) Tabele z wynikami pomiarów

- Minimalna wartość napięcia wyjściowego wynosi: Uwymin = -0,7V

- Maksymalna wartość napięcia wyjściowego wynosi: Uwymax = 7,5V

- Wartość napięcie progu logicznego Upr wynosi: Upr = 3,4V

- Wartość napięcia regulowanego Uo która odpowiada osiągnięciu na wyjściu komparatora progu przełączania Upr wynosi: Uopr = 182mV

- Wartość napięcie niezrównoważenia komparatora wynosi: Uos = 182μV

Tabela 1 (Wyznaczenie charakterystyki przejściowej Uwy = f(Uwe) detektora przejścia przez zero (schemat 1))

Lp	Uo	Uwe	Uwy
	[mV]	[μV]	[V]
1	-100	-100	6,82
2	-50	-50	6,48
3	-25	-25	5,97
4	-20	-20	5,84
5	-15	-15	4,60
6	-10	-10	4,29
7	-5	-5	2,41
8	0	0	1,36
9	5	5	-0,17
10	10	10	-0,37
11	15	15	-0,38
12	20	20	-0,39
13	25	25	-0,40
14	30	30	-0,40
15	50	50	-0,41
16	100	100	-0,44

gdzie: Uo - wartość napięcia stałego podawanego na wejście komparatora przez dzielnik napięcia R1, R2

Uwe - wartość napięcia stałego na wejściu komparatora

Uwy - wartość napięcia stałego na wyjściu komparatora

Tabela 2 (Wyznaczenie czasu odpowiedzi impulsowej tr i szybkości zmiany napięcia wyjściowego ΔUwy/Δt komparatora)

	Uwe=100mV					Uwe=200mV
	tr		ΔUwy	Δt	ΔUwy/Δt	tr		ΔUwy	Δt	ΔUwy/Δt
	[μs]		[V]	[μs]	[V/μs]	[μs]		[V]	[μs]	[V/μs]
f_gen=1kHz	20		8,2	40	0,205	10		8,2	20	0,410
f_gen=10kHz	16,5		6,8	33	0,206	10,5		8,2	21	0,390

gdzie: Uwe - amplituda międzyszczytowa napięcia z generatora podawanego na wejście komparatora

ΔUwy - różnica pomiędzy poziomami napięcia: wysokim i niskim na wyjściu komparatora

tr - czas odpowiedzi impulsowej komparatora

Δt - czas przejścia komparatora stanu niskiego na wyjściu do stanu wysokiego

ΔUwy/Δt - szybkość zmiany napięcia wyjściowego

f_gen - częstotliwości sygnału z generatora funkcyjnego

C) Przykładowe obliczenia

1) Wyznaczanie wartości napięcia progu logicznego przełączania Upr

Wartość tego napięcie wyznaczamy jako średnią arytmetyczną minimalnej i maksymalnej wartości napięcia wyjściowego:

2) Wyznaczenie napięcia niezrównoważenia komparatora Uos

Wartość tego napięcia wyznaczamy jako napięcie na wejściu komparatora przy osiągnięciu na wyjściu napięcia progu logicznego przełączania Upr. Wartość Uos jest proporcjonalna do wartością napięcia Uo poprzez stałą dzielnika R1,R2:

przy Uwy = Upr

czyli w przypadku gdy przy Uwy = 3,4V Uo = 182mV => Uos = 182μV

2) Wyznaczenie czasu odpowiedzi impulsowej tr komparatora

Czas ten odczytujemy z wykresu Uwy = f(t) (w naszym przypadku przy opadającym zboczu napięcia wejściowego) jako odcinek rozpoczynający się od momentu zakończenia opadania sygnału wejściowego do chwili osiągnięcia na wyjściu komparatora wartości napięcia progu logicznego Upr.

3) Wyznaczenie szybkości zmiany (narastania) napięcia wyjściowego

Parametr ten wyznaczamy jako nachylenie charakterystyki Uwy = f(t) czyli stosunek zmiany napięcia wyjściowego do czasu trwania tej zmiany:

np. dla: Uwe = 100mV, f_gen = 1kHz (tabela 2):

Wykresy

Wykres 2 (Zależność napięcia wyjściowego od wejściowego Uwy = f(Uwe) w układzie detektora przejścia przez zero wyznaczona metodą punkt po punkcie w układzie ze schematu 1, przy zwartej zworze Z)

D) Uwagi i wnioski

- Przy wyznaczaniu napięcia niezrównoważenia Uos było bardzo trudno uzyskać stabilną wartość napięcia progu logicznego Upr. Wartość napięcia wyjściowego w sposób chaotyczny oscylowała wokół Upr, przy czym różnica pomiędzy Uwy a Upr dochodziła do kilku woltów. To zjawisko można wytłumaczyć poprzez fakt, że badany komparator w pobliżu progu przełączenia pracuje praktycznie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego gdyż rezystancja diody Zenera DZ1 dla tego przedziału napięć wyjściowych jest bardzo duża. Przy tak dużym wzmocnieniu komparatora (katalogowo dla wzmacniacza operacyjnego ULY7741 |Ku| = 2*10⁵ V/V) układ reaguje zmianą napięcia wyjściowego przy zmianie napięcia wejściowego na poziomie mikrowoltów. Natomiast zmiany napięcia wejściowego o tak małych wartościach mogą być spowodowane przez wahania napięcia zasilania układu, indukowanie się na wejściu zakłóceń elektromagnetycznych pochodzących z sieci energetycznej (gdyż rezystancja wejściowa układu jest bardzo duża), wahania temperatury.

- Uzyskane napięcie niezrównoważenia Uos jest czynnikiem decydującym o maksymalnej zdolności rozdzielczej komparatora. Napięcie to kompensuje się zewnętrznym potencjometrem układu ULY7741 lecz należy mieć świadomość że kompensacja taka może nie być skuteczna przy zmianach temperatury, bądź napięcia zasilania.

- Przy wyznaczaniu zależności napięcia wyjściowego od wejściowego z ekranu oscyloskopu przy doprowadzeniu do wejścia układu napięcia trójkątnego (schemat 2) można zauważyć, że pole histerezy napięcia wyjściowego ,spowodowane opóźnieniami sygnału w układzie komparatora, zwiększało się przy wzroście częstotliwości sygnału z generatora, a także przy wzroście amplitudy tego sygnału.

- Podczas badania czasu odpowiedzi impulsowej i szybkości narastania napięcia na wyjściu układu można zauważyć, że parametry te zależą wyraźnie od amplitudy napięcia prostokątnego na wejściu układu. I tak przy dwukrotnym zwiększeniu amplitudy przebiegu wejściowego czas odpowiedzi impulsowej zmalał dwukrotnie, a prędkość narastania sygnału na wyjściu układy zwiększyła się dwukrotnie. Jest to spowodowane tym iż większa amplituda sygnału wejściowego oznacza większe prądy wejściowe które szybciej przeładowują pojemności pasożytnicze w układzie komparatora. Natomiast nie można było zauważyć zmiany tych parametrów przy odwrotnej polaryzacji zbocza sygnału wejściowego. Określenie czasu odpowiedzi impulsowej rzędu 10μs przy amplitudzie napięcia wejściowego Uwe = 200mV oznacza, że badany przez nas układ komparatora może poprawnie reagować zmianą napięcia wyjściowego na przebieg wejściowy o częstotliwości poniżej 25kHz. Natomiast przy czasie odpowiedzi rzędu 20μs, przy Uwe = 100mV, maksymalna częstotliwość przebiegu wejściowego wynosi już około 12kHz.

- Przy wyznaczani zależności napięcia wyjściowego od wejściowego w układzie komparatora okienkowego (schemat 3) można zauważyć, że wskazania mierników Uo i ΔU odpowiadają

tym wartościom odczytanym z ekranu oscyloskopu. Przy nastawianiu tych dwóch parametrów można było zauważyć, że nie zmieniają się one w sposób niezależny od siebie.

---