Аналоговые, цифроаналоговые (ЦАП), аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи. Операционный усилитель (ОУ), компаратор

3. Аналоговые, цифроаналоговые (ЦАП), аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи. Операционный усилитель (ОУ), компаратор

Измерительные преобразователи в зависимости от вида (аналоговый, кодированный) входного и выходного сигналов относят к одной из следующих групп: а) аналоговые измерительные преобразователи, у которых на входе и выходе аналоговые сигналы; б) аналого–цифровые измерительные преобразователи, имеющие на входе аналоговый сигнал, а на выходе кодированный сигнал; в) цифроаналоговые измерительные преобразователи, у которых на входе кодированный сигнал, а на выходе аналоговый (квантовый) сигнал.

 (14)

Прежде чем перейти к анализу принципа действия схем аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, коротко рассмотри" важнейший элемент интегральной техники - операционный усилитель на котором, в частности, построены современные компараторы (устройства сравнения).

Операционные усилители. Операционным усилителем (ОУ) называют высококачественный интегральный линейный усилитель напряжения, имеющий большой коэффициент усиления (10⁶...10⁷), высокое входное (сотни МОм) и малое выходное (единицы Ом) сопротивления. На рис. 12, а показано условное графическое обозначение ОУ. По отношению к выходу один из входов ОУ является неинвертирующим Uн, а другой — инвертирующим Uи; последний обозначается знаком инверсии (кружок на входе ОУ). Питание ОУ осуществляется от двух одинаковых разнополярных источников +Uп и -U_п (на графических обозначениях источники питания обычно не показывают). При таком питании входные и выходные сигналы могут быть двуполярными, а нулевой входной сигналам соответствует нулевой выходной сигнал. Выходной сигнал ОУ пропорционален дифференциальному входному сигналу — разности входных Uн- Uи.

а – условное графическое обозначение; б – передаточные характеристики

Коэффициент усиления по напряжению К₀ собственно ОУ равен отношению выходного напряжения к дифференциальному входному напряжению:

 (15)

Передаточные характеристики (рис.12, б) имеют важнейшее значение для ОУ. Если усиливаемый сигнал подан на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен, то знак выходного напряжения совпадает со знаком входного напряжения (линия 1). При подаче сигнала на инвертирующий вход и заземлении неинвертирующего, знак выходного напряжения будет противоположен знаку входного (линия 2). Угол наклона линейных участков передаточных характеристик пропорционален коэффициенту усиления по напряжению К₀. Горизонтальные участки передаточных характеристик соответствуют режиму насыщения оконечных транзисторов ОУ, поэтому выходное напряжение

 (16)

В теории интегральной усилительной техники с целью упрощения анализа и расчета схем на операционных усилителях вводят понятие «идеальный» ОУ, для которого справедливы следующие допущения: бесконечно большие коэффициент усиления К₀ = оо, входное сопротивление R_вх0 = оо и нулевое выходное сопротивление R_вых0 = 0.

Из этих допущений вытекают два основных свойства (правила анализа) ОУ:

1.         Дифференциальный входной сигнал равен нулю

 (17)

2.         Входы ОУ не потребляют ток от источника входного сигнала

 (18)

Изложенное выше понятие идеального ОУ соответствует так называемому принципу «виртуального» (кажущегося) замыкания его инвертирующего и неинвертирующего входов. При виртуальном замыкании, как и при физическом (обычном), напряжение между соединенными зажимами равно нулю. Вместе с тем в отличие от физического замыкания ток между виртуально замкнутыми зажимами не течет. Говоря другим словами, для тока виртуальное замыкание зажимов эквивалентно разрыву электрической цепи.

В зависимости от условий подачи усиливаемого сигнала на входы ОУ и подключения к нему внешних элементов можно получить две фундаментальные схемы включения: инвертирующую и неинвертирующую. Любое схемотехническое решение с применением ОУ базируется на этих включениях. Одно из них осуществлено в компараторе.

Компаратор — устройство, осуществляющее сравнение двух аналоговых напряжений. В простейшей схеме компаратора входное напряжение сравнивается с некоторым опорным, в качестве которого используется часть выходного напряжения (рис. 14, а).

На инвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий вход подается опорное напряжение U_н= U_on = βUm, снимаемое с делителя R1,R2. Таким образом, ОУ охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу, и выходное напряжение скачком изменяет свою полярность при сравнении входного и опорного напряжений.

Принцип действия компаратора рассмотрим с помощью передаточной характеристики —

зависимости выходного напряжения от входного (рис.5, б). Пусть входное напряжение U_BX = 0, а выходное Uвых= Um⁺ (точка 1 на рис 5,б). Напряжение на неинвентирующем входе при этом будет:

Uн = βUm+  (19)

где р = R_l/(R_l+R₂) — коэффициент передачи резистивной цепи R_t, R₂ положительной ОС в компараторе.

Если входное напряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды с опорным, равным напряжению срабатывания U=βUm+, компаратор переключается. При этом произойдет скачкообразное изменение выходного напряжения со значения Um+, на значение U-(переход от точки 2 к точке 3 на рис. 14, б). Дальнейшее увеличение, входного напряжения не изменит состояния компаратора, и напряжение на неинвертирующем входе ОУ будет также постоянным: Uн=βUm-, При уменьшении входного напряжения до значения опорного, равного напряжению отпускания Uвх = Uотп = βUm-, произойдет скачкообразный возврат компаратора в исходное состояние. Выходное напряжение при этом изменится с Um- на βUm+, (переход от точки 4 к точке 5 на рис. 5, б).

а – схема; б- передаточная характеристика

Таким образом, передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эффектом, и в радиоэлектронике его называют триггером Шмитта. Сумма напряжений срабатывания и отпускания является напряжением гистерезиса.

(20)

Рис.15.Формирование меандра из синусоиды компаратором

Оно вводится для повышения помехоустойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера, т.е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входного сигнала. В компараторе на ОУ амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению питания: U_вых = U_m^± = ±Uп. Компараторы применяют для формирования сигналов прямоугольной формы из различных видов непрерывных сигналов. В частности, при подаче на вход компаратора синусоидального напряжения (рис. 15), на его выходе формируется симметричное прямоугольное колебание — меандр (греч. —узор — геометрический орнамент).

Пусть в момент времени t = 0 напряжение на выходе компаратора Uвых = Um+. В таком состоянии компаратор будет находиться, пока амплитуда входного напряжения U_BX < Uср. В момент времени t = t_t входное напряжение станет U_BX = Uср, и компаратор переключится. При этом выходное напряжение Uвых скачком изменится со значения U_m+ на значение Um-. В момент времени t = t₂ входное напряжение станет равным Uотп, и произойдет повое переключение компаратора.

Похожие работы

Автоматизация измерений

Скачать

8396

0

6

... на объект измерения, оценку точности измерений и представление результатов измерений в стандартной форме. ИВК по назначению классифицируются на: 1) типовые – для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний и так далее; 2) специализированные – для решения уникальных задач автоматизации измерений; 3) проблемные – для решения широко распространенной, но ...

Технология работы рН-метра со стеклянным электродом

Скачать

37472

4

5

... 6 Определение предела дополнительной допускаемой погрешности измерения  (), связанной с изменением сопротивления измерительного (стеклянного) электрода и (или) электрода сравнения (вспомогательного электрода) 9.6 + + Примечания 1 Знак "+" означает, что операцию проводят.  2 Для приборов, предназначенных для работы в режиме измерения , операцию по пункту 3 таблицы при первичной ...

Технология и автоматизация производства РЭА

Скачать

369637

0

0

... мероприятия по обеспечению однородности выпускаемой продукции. Все эти мероприятия можно объединить в четыре группы: 1. совершенствование технологии производства; 2. автоматизация производства; 3. технологические (тренировочные) прогоны; 4. статистическое регулирование качества продукции. 2.10. Проектирование технологических процессов с использованием средств ...

Разработка требований к автоматизации процесса испытаний стали арматурной

Скачать

38995

16

0

... и периодического профиля диаметрами 6-40 миллиметров, предназначенную для армирования железобетонных конструкций. Стандарт содержит сертификационные требования к термомеханически упрочненной арматурной стали для железобетонных конструкций. Требования к методам испытаний стали арматурной устанавливает следующая нормативная документация: 1 ГОСТ 12004-81 «Сталь арматурная. Методы испытания на ...