Если U оп = 0, то такой компаратор называется нуль-органом.

Компараторы находят широкое применение в сравнивающих устройствах систем управления, цифровой технике - аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) . Цифро – аналоговые преобразователи имеют многочисленные применения для непосредственного преобразования цифровых сигналов в аналоговые и для образования обратных связей по напряжению в составе аналого-цифровых преобразователей.

ЦАП представляет собой резистивный делитель напряжения, управляемый цифровым кодом q 1 ….q n - набором логических нулей и единиц, который характеризует входную информацию. Наиболее часто применяется резистивная матрица R-2R (рис.7.11). Матрица обслуживается двунаправленными ключами Кл, число которых равно числу значащих двоичных разрядов. При наличии на всех входах q логических нулей ключи КЛ подсоединены к нулевой шине и на выходе усилителя ОУ 1 имеется нулевой потенциал.

Рисунок 7.11 – Схема ЦАП с матрицей R-2R

При приходе на первый разряд q 1 логической единицы ключ КЛ1 подключает к ОУ 1 через резистор 2R и цепочку резисторов R опорное напряжение U оп . В результате чего на выходе ОУ 1 возникает ступенька напряжения Δu вых . При приходе на вход ЦАП логической единицы более старшего разряда (большего числа), например на q 2 , на вход ОУ 1 подключается еще одна резистивная ветвь с опорным напряжением и на выход ОУ 1 добавится еще одна ступенька напряжения. Выходное напряжение нарастает ступеньками с квантом (шагом):

,

где n - число разрядов.

Разрешающая способность ЦАП определяется числом разрядов и точностью изготовления резисторов матрицы.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП ). АЦП применяются для преобразования аналоговых сигналов датчиков и источников сигналов в цифровую форму для последующей обработки в компьютере или микропроцессоре. Известно несколько принципов построения аналого-цифровых преобразователей- развёртывания во времени, поразрядного кодирования, следящего уравновешивания, считывания.

Схема АЦП считывания приведена на рис.7.12а. Строится АЦП на основе точного резистивного делителя напряжения R 1 …R N , выполненного из одинаковых по номиналу резисторов и компараторов K 1 …K N , где N-число уровней квантования входного сигнала U вх .

На выходах компараторов имеет место позиционный код 0 или 1, когда количество сработавших компараторов (код 1), начиная с первого, соответствует уровню измеряемой величины. Быстродействие компаратора определяется временем задержки компараторов. Для случая, изображенного на рис.7.12б, входной сигнал U вх относится ко второму уровню - сработали два первых компаратора K 1 и K 2 . Цифровой код на выходе АЦП будет 1 1 0 0. АЦП считывания может иметь неограниченное количество разрядов.

Для обработки реального сигнала используют совокупность приведенных и других элементов, схемы которых определяются конкретными задачами обработки сигналов.

Рисунок 7.12 – АЦП считывания.

Для построения электронных схем, встраиваемых в системы автоматики, требуются различные функциональные преобразователи, а также устройства, реализующие типовые нелинейности.

Функциональные преобразователи могут выполняться для реализации одной или нескольких зависимостей.

В первом случае, например, для воспроизведения только одной зависимости: экспоненты, степенной функции, тригонометрической и т.д., преобразователи называют специализированными.

Во втором случае, если преобразователи могут быть перестроены посредством изменения их параметров на воспроизведение многих зависимостей, они называются универсальными.

Преобразователи, основанные на естественных нелинейностях, используют нелинейные участки вольтамперных характеристик различных полупроводниковых приборов. Например, вольтамперные характеристики p -n переходов, зависимость фототока от освещённости, зависимость сопротивления терморезисторов от температуры, зависимость собственной частоты колебаний различных упругих резонаторов от прилагаемых к ним усилий и т.д. Логарифмические и экспоненциальные усилители с использованием нелинейностей p -n переходов хорошо разработаны и нашли широкое применение в измерительной технике.

На рис. 7.13 приведена схема устройства для возведения аналогового сигнала U вх в квадрат, основанная на использовании нелинейности фоторезисторного оптрона. Фоторезисторный оптрон представляет собой пару светодиод-фоторезистор D 1 – R 2 , выполненных интегрально. Величина сопротивления для фоторезистора оптрона обратно пропорциональна напряжению, приложенному к светодиоду. Коэффициент пропорциональности K оптрона зависит от его конструктивных особенностей и в некоторых пределах может подстраиваться резистором R 1 .

Операционный усилитель ОУ преобразует U вх в ток питания светодиода D 1 , который освещает фоторезистор R 2 , изменяя тем самым его сопротивление. Величина переходного напряжения пропорционально квадрата входного U вых ≡ U 2 вх.

Поэтому обычно приходится идти на компромисс и питать ОУ пониженным (для него) напряжением. Большинство современных ОУ работоспособно при напряжении питания более 3 В (±1,5 В), и только серия К574 - при напряжении питания более 5 В. Также, специально для применения в низковольтной (5 В) цифровой технике, выпускаются ОУ и серий LM2901…LM2904: их параметры идеальны при напряжении питания 5 В, а работоспособность сохраняется в «стандартном» диапазоне 3…30 В. Необходимую для работы ОУ и компаратора «половину напряжения питания» можно «сделать» с помощью делителя напряжения на .

Еще одна проблема - согласование по уровням. Подавать на вход аналоговых микросхем цифровой сигнал нельзя, особенно сигнал с выхода -микросхем (у них амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания). Подробнее об этом говорилось выше, а уменьшить амплитуду сигнала с выхода цифровой можно с помощью делителя напряжения.

Сигнал на выходе аналоговой , работающей в цифровом режиме, практически всегда имеет достаточную амплитуду для нормальной работы цифровой , но попадаются в этом плане и «уроды». У некоторых аналоговых микросхем уровню лог. «0» соответствует напряжение на выходе, равное +2,1…2,5 В относительно общего провода (с которым соединен отрицательный вход питания ), а у ТТЛ-схем и некоторых напряжение переключения равно 1,4…3,0 В. То есть с помощью такой аналоговой установить уровень лог. «0» на входе упомянутой выше цифровой невозможно. А вот с установкой уровня лог. «1» на входе цифровой проблем не возникает практически никогда. Поэтому выходов два: или подать на вход «-U» только аналоговой небольшое отрицательное напряжение (-2…-3 В) относительно общего провода (рис. 2.8, о), которое можно сформировать с помощью любого генератора, к выходу которого подключен – (рис. 2.8, б); R нужен для того, чтобы при напряжении на выходе ОУ, меньшем напряжения на общем проводе, не вывести из строя цифровую микросхему (ТТЛ) или не перегрузить защитный (), его может быть от 1 кОм до 100 кОм. Второй выход - поставить между аналоговой и цифровой микросхемой (рис. 2.8, в): при этом на входе цифровой уменьшится и напряжение уровня лог. «1», что несущественно, и напряжение уровня лог. «0», что нам и надо.

Выходы компараторов обычно выполняются по схеме с открытым коллектором (рис. 2.8, г), поэтому при использовании компараторов для управления цифровыми схемами «подтягивающий» обязателен (он включается между выходом компаратора и шиной «+U»). В ТТЛ-схемах эти установлены внутри на каждом входе, в -схемах их нужно устанавливать «снаружи». «Внутри» компараторов «подтягивающих» резисторов никогда не бывает.

Падение напряжения на переходах выходного транзистора компаратора (рис. 2.8, г) не превышает 0,8…1,0 В, поэтому проблем с управлением цифровыми схемами никогда не возникает. Так как выход компаратора выполнен по схеме с открытым коллектором, то напряжение питания компаратора («+U») может быть больше или меньше напряжения питания цифровой - при этом никаких изменений в схему вносить не нужно. «Подтягивающий» в таком случае нужно включать между выходом компаратора и шиной «+U» цифровой части .

Допустим, что нам нужно создать , которое будет контролировать величину собственного напряжения питания и, как только оно станет больше или меньше нормы, включит .

Для начала попробуем создать такое на основе цифровых микросхем. Как известно, напряжение переключения цифровой весьма слабо от ее напряжения питания, поэтому для контроля напряжения питания вход логического элемента через можно непосредственно соединить с шинами питания (рис. 2.10, а). В этой схеме нижний реагирует на понижение напряжения питания (тогда на его выходе устанавливается «единица»), а верхний - на повышение - ив таком случае на выходе элемента DD1.2 устанавливается уровень лог. «1». Сигналы с выходов обоих каналов суммируются диодной схемой «2ИЛИ», и при «единице» на одном из выходов на выходе DD1.4 устанавливается уровень лог. «0», разрешающий работу генератора.

Эту схему можно упростить, если использовать многовходовые (рис. 2.10, б). В этих схемах DD1.2 (рис. 2.10, а)

Рис. 2.10. Устройства контроля напряжения: а - на инверторах; б - усовершенствованные на логических элементах; в - на аналоговых микросхемах используется одни из «входных» элементов - благодаря этому отпала надобность в сумматоре. Надеюсь, вы сами разберетесь, как работают эти .

Собрав одну из этих схем, вы заметите, что, пока напряжение питания находится в пределах нормы, потребляемый схемой ток не превышает нескольких микроампер, но при приближении к границе нормы он резко увеличивается в тысячи раз. Возникли сквозные токи. При дальнейшем изменении напряжения питания включится (если напряжение питания пульсирующее, то он вначале будет «тарахтеть» в такт с пульсациями) и через некоторое время, при еще большем изменении напряжения питания, потребляемый схемой ток начнет уменьшаться.

Если вам такие «фокусы» не нужны, поставьте в схему или ОУ. Если запускается уровнем лог. «О» - удобнее : их выходы можно соединить вместе (с ОУ так поступать нельзя!) и «обойтись» общим «подтягивающим» резистором. А вот если запускается «единицей» - удобнее ОУ: сэкономите 2 резистора, через которые в «ждущем» режиме (пока напряжение в пределах нормы) протекает ток.

В отличие от рассмотренных выше, в такой схеме понадобится источник образцового напряжения. Проще всего собрать его на резисторе и стабилитроне или на генераторе тока и резисторе (или, что лучше, стабилитроне). Вариант на резисторе со стабилитроном самый дешевый, но большинство стабилитронов начинают нормально работать только при протекающем через них токе в несколько миллиампер, а это сказывается на энергопотреблении всей . Впрочем, современные малогабаритные отечественные начинают стабилизировать напряжение при токе от 10 мкА. У на основе генераторов тока () минимальный ток стабилизации может быть любой.

Для того чтобы меньше нагружать , его выход непосредственно соединим со входами компараторов ( современных ОУ и компараторов ничтожно мал и не превышает 0,1 мкА), а подстроечные «регулирующие» включим так же, как и у рассмотренных выше схем. Получилось то, что изображено на рис. 2.10, в; к выходам этих схем можно подключить любой. Если использовать в схеме счетверенные ОУ (), можно собрать на «свободных» элементах.

А теперь, чтобы решить, какая из схем (цифровая или аналого-цифровая) лучше, сравним их характеристики:

Как видно, преимущества и недостатки есть у обеих схем, причем преимущества одной покрывают недостатки другой и наоборот. Поэтому не нужно изо всех сил стремиться собрать свое по «правильной» схеме, в которой с цифровым сигналом работает цифровая , а с аналоговым - аналоговая; иногда нестандартное включение элементов, как на рис. 2.10, а и 2.10,6, позволяет сэкономить и на деталях, и на электричестве. Но с нестандартным включением нужно быть крайне осторожным: большинство элементов в таком режиме неустойчиво, и под влиянием малейших воздействий они могут «забастовать», а то и вообще выйти из строя. Предсказать развитие событий при нестандартном включении элементов очень сложно даже для опытных радиолюбителей-практиков, поэтому определить работоспособность (или неработоспособность) той либо иной «нестандартной» можно только на макете. При этом вы заодно узнаете потребляемый схемой ток и некоторые другие, интересующие вас, характеристики, а также сможете подкорректировать номиналы отдельных элементов.

Особое место в истории электроники занимает так называемый «таймер 555», или попросту «555» (предприятие, разработавшее эту микросхему, назвало его «ΝΕ555», отсюда и пошло название). эта представляет собой простую, как и все гениальное, комбинацию аналоговых и цифровых устройств, и благодаря этому ее универсальность потрясающа. В свое время (начало 90-х годов) во многих радиолюбительских изданиях действовала рубрика типа «придумай новое применение таймера 555» - тогда только стандартных схем включения этой было предложено больше, чем страниц в этой книге.

А он (принцип действия) весьма прост: под воздействием внешнего аналогового (не цифрового!) модулирующего сигнала изменяется частота, скважность, или длительность выходного сигнала.

Бывают двух видов: линейные и импульсные. Линейные (амплитудные, частотные, фазовые и т. д.) используются только в радиовещании, поэтому рассматриваться здесь не будут. бывают широтно-импульсные (ШИМ) и фазо-импульсные (ФИМ). Друг от друга они практически ничем не отличаются, поэтому их нередко путают Делать этого нельзя - ведь если придумали для них два разных названия, значит, это кому-то было нужно. Отличаются они тем, что у ФИМ частота выходного сигнала неизменна (т. е. если длительность импульса в X раз увеличилась, то длительность паузы в X раз уменьшится), а у ШИМ - изменяется (длительность одного из полупериодов - импульса или паузы - всегда одинакова, а у другого - изменяется в такт модулирующему напряжению).

Рассматривать работу модуляторов будем по диаграммам, расположенным рядом с рисунками. Модулирующий сигнал для таймера 555 очень удобно подавать на его вход REF (этот вход у таймера 555 предназначен именно для этого; полагать «модулирующий» сигнал на вход REF других микросхем нельзя!), что обычно и делают.

Начнем с ФИМ. этот практически ничем не отличается от обычного генератора, и частота выходных импульсов ФИМ рассчитывается по формуле для генератора. Но давайте посмотрим, что будет, если на вход REF «генератора» подать внешнее напряжение.

Как видно из диаграмм, под воздействием модулирующего напряжения изменяется , или, если кто забыл суть этого термина, отношение периода импульса (лог. «1» + лог. «О») к длительности импульса (лог. «1»). А происходит это вот почему.

Когда на вход REF не подается внешнее напряжение, напряжение на нем равно 2/3 напряжения питания и равна 2, т. е. длительность импульса равна длительности паузы. В этом нетрудно убедиться с помощью теоретических расчетов: уровень лог. «О» на выходе генератора установится только после того, как напряжение на его входах R и S станет равным 1/3 U cc относительно шины «U cc », а уровень лог. «1» - после того, как напряжение на входах станет равным 2/4 U cc относительно общего провода. В обоих случаях падение напряжения на частотозадающем резисторе R1 одинаково, поэтому и длительности импульса и паузы одинаковы.

Предположим, что под воздействием внешнего сигнала напряжение на входе REF уменьшилось. Тогда уменьшится и напряжение переключения обоих компараторов таймера - допустим, до 1/4 и 2/4 соответственно. Тогда уровень лог. «1» сменится на лог. «О» на выходе таймера после того, как напряжение на частотозадающем конденсаторе увеличится от 1/4 U cc до 2/4 U cc , а уровень лог. «О» сменится уровнем лог. «1» после того, как оно уменьшится от 2/4 U cc до 1/4 U cc . Нетрудно заметить, что в первом случае падение напряжения на частотозадающем резисторе больше (при U cc = 10 В оно изменяется от 7,5 В до 5,0 В), чем во втором (2,5 В -» 5,0 В), и, если вспомнить закон Ома, протекающий через ток в первом случае будет в 2 раза больше, чем во втором, т. е. при уровне лог. «1» на выходе таймера будет заряжаться в 2 раза быстрее, чем разряжаться - при уровне лог. «0». То есть длительность импульса в 2 раза меньше длительности паузы и при дальнейшем уменьшении напряжения REF уменьшится еще сильнее.

Логично заметить, что при увеличении напряжения на входе REF начнет увеличиваться, и как только оно превысит 2/3 U cc , длительность импульса станет больше длительности паузы.

На основе такого модулятора очень удобно собирать разнообразные импульсные . Простейшая С4 быстро заряжается. Как только напряжение на нем станет приближаться к значению, выставленному резистором R7, VT3 начнет приоткрываться, напряжение на входе REF DA1 начнет уменьшаться и длительность импульсов на выходе генератора будет уменьшаться. С каждым тактом колебаний генератора в С4, через VT1 и VT2, будет «закачиваться» все меньше энергии, пока, наконец, не наступит динамическое равновесие: С4 получает ровно столько же энергии, сколько отдает в нагрузку - при этом напряжение на нем остается неизменным. Если ток нагрузки внезапно увеличится, напряжение на конденсаторе немножко уменьшится («нагрузка «садит» источник питания»), VT3 немножко закроется и длительность импульсов лог. «1» на выходе генератора будет увеличиваться, пока снова не наступит динамическое равновесие. При уменьшении тока нагрузки длительность импульсов, наоборот, будет уменьшаться.

Динамическое равновесие не нужно путать с истинным равновесием. Последнее наступает тогда, когда, например, на две чашки весов кладут гири одинаковой массы; такое равновесие весьма неустойчиво, и его очень легко нарушить, незначительно изменив массу любой гири. Аналогия истинного равновесия из мира электроники - это когда для уменьшения напряжения, для питания какой-нибудь низковольтной от высоковольтного для нее источника питания используют . Пока потребляемый схемой ток неизменен, неизменно и напряжение на ней. Но как только потребляемый ток увеличится, напряжение на схеме уменьшится - равновесие нарушилось.

Поэтому во всех современных схемах источников питания (и не только их) реализуется принцип динамического равновесия: часть (она называется «цепь ООС» - этот термин вам уже знаком) следит за сигналом на выходе устройства, сравнивает его с эталонным сигналом (в схеме на рис. 2.14 «эталонное напряжение» - напряжение отпирания транзистора VT3; оно не очень стабильно, но нам большая точность и не нужна; для увеличения точности поддержания выходного напряжения неизменным можно заменить инвертором (k ycU и 20…50) на ОУ) и, если два сигнала не равны друг другу, изменяет напряжение на выходе устройства в соответствующую сторону до тех пор, пока они не совпадут.

Так как в этой схеме в цепь ООС можно поставить только каскад (только такой , да еще дороговатый ОУ, может усилить сигнал по напряжению; a k ycU в этой схеме, для увеличения стабильности выходного напряжения, должен быть значительный), то при увеличении напряжения на движке резистора R7 напряжение на входе REF будет уменьшаться, причем независимо от структуры ( нормально работать не будет.

Поэтому мне пришлось немножко схитрить: поставить на выходе DA1 промежуточный каскад на транзисторе (VT1) и сигнал для управления силовым транзистором структуры p-n-p (VT2) снимать с этого транзистора. Правда, при этом возникла новая проблема: заряжаются емкости база-эмиттер транзисторов «со свистом», а вот разряжаются очень медленно. Из-за этого открывается резко (что и надо), а закрывается весьма плавно, при этом падение напряжения на его выводах коллектор-эмиттер тоже плавно увеличивается и выделяющаяся на нем в виде тепла мощность резко возрастает. Поэтому для ускорения процесса запирания транзисторов пришлось поставить низкоомные R4 и R6. Из-за них экономичность усилителя при большом выходном токе больше, чем без них (уменьшаются потери энергии на нагрев радиатора транзистора VT2), а при малом (менее 200 мА) - меньше: только через несколько сложней: для этого нужен дополнительный запускающих импульсов. В этом и заключается принципиальное отличие ФИМ от ШИМ.

Как работает , хорошо видно из диаграмм. Длительность запускающих импульсов у такой (как на рис. 2.12) модулятора должна быть как можно меньше, по крайней мере, к тому времени, как С1 зарядится до напряжения переключения по входу R, на входе S уже должен быть установлен уровень лог. «1», который должен продержаться на нем некоторое время (примерно 1/100 от длительности импульса) для того, чтобы С1 успел разрядиться. В противном случае возможно возникновение самовозбуждения на близкой к максимальной рабочей частоте для используемой в схеме .