Компаратор

Компаратори широко застосовують в системах автоматичного керування, вимірювальній техніці, а також для виконання аналогово-цифрових і цифроаналогових перетворювачів. Компаратор зрівнює вимірювану напругу, яка подається на один із входів і значення якої може змінюватися, з опорною напругою, що підведена до іншого входу. У разі досягнення вимірювальною напругою u_вх значення опорної, напруга на виході ОП миттєво змінює знак на протилежний, наприклад, на . Компаратор ще називають нуль-органом, оскільки його перемикання за умови U_ОП=0 здійснюється в моменти часу , коли u_вх =0.

Схема компаратора та часові діаграми вхідних і вихідної напруг зображені на рис. 8.

На інвертувальний вхід подають напругу , на неінвертувальний - постійну опорну напругу . Вхідна напруга операційного підсилювача . До моменту часу t₁ напруга u₀< 0, тому . На проміжку часу ∆t=t₂-t₁ напруга u₀> 0, тому . На інтервалі t₃-t₂ напруга і т. д. Отже, здійснюються інвертування та підсилення вхідної напруги u₀ операційного підсилювача .

а)

б)

Рис. 8. Схема компаратора а) та часові діаграми вхідних і вихідної напруг б)

3.2.2. Мультивібратор

Мультивібратор призначений для генерування імпульсів напруги прямокутної форми з певною амплітудою, тривалістю та частотою. Мультивібратори працюють у режимі самозбудження: для його запуску достатньо подати напругу живлення Eк. На рис. 9 зображено схему симетричного мультивібратора та часові діаграми напруг.

Для побудови мультивібратора використана схема компаратора з додатним та від’ємним зворотними зв’язками, які здійснюються відповідно через резистори R₁, R₂ та R. На неінвертувальний вхід подається напруга , пропорційна вихідній напрузі

,

де =– коефіцієнт зворотного зв’язку.

На інвертувальний вхід подається напруга . Припустимо, що в момент t=0 напруга =0 (конденсатор С не заряджений), а на виході напруга дорівнює . З моменту t = 0 починається заряджання конденсатора С через опір R. Напруга змінюється згідно з рівнянням ,

де τ =RС - стала часу резистивно-ємнісного кола заряджання конденсатора.

а)

б)

Рис. 9. Схема мультивібратора а) та часові діаграми вхідних і вихідної напруг б)

Після досягнення у момент часу t₁, вихідна напруга та напруга додатного зворотного зв’язку змінюють знак на протилежний, тобто набувають значень і . Через зміну знака вихідної напруги починається перезаряджання конденсатора С. Напруга на конденсаторі описується рівнянням

.

У момент t₂, коли досягається рівність u_с = , знову зміниться знак вихідної напруги до значення =і буде відбуватися перезаряджання конденсатора від до , яке завершиться наступною зміною знака вихідної напруги в момент часу t₃. Тривалість часу перезаряджання конденсатора від одного граничного значення до іншого визначає тривалість однієї полярності імпульса вихідної напруги: t_I1 = t₂ – t₁, t_I2= t₃ – t₂. Сума t_I1+t_I2 = Т, тобто складає цикл зміни вихідної напруги. Якщо t_I1=t_I2= t_I, то частота вихідної напруги

.

Якщо наявна рівність напруг , то тривалість імпульсу

,

а частота

.

Якщо t_I1≠t_I2 , то такий мультивібратор називається несиметричним. Схему несиметричного мультивібратора зображено на рис. 10 а.

Зміна тривалості t_I1 і t_I2 здійснюється за рахунок того, що сталі часу перезаряджання конденсатора С після зміни полярності вихідної напруги визначаються резисторами R’ та R’’. Заряджання конденсатора С до додатного значення напруги здійснюється через резистор R’’ та діод VD2, до від’ємного значення напруги - через резистор R’ та діод VD1. Відповідні часові діаграми показані на рис. 10 б.

а)

б)

Рис. 10. Схема несиметричного мультивібратора а) та часові діаграми його вхідних та вихідної напруг б)