Триггер Шмитта на операционном усилителе (ОУ). Триггер шмитта на компараторе

Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Расссмотрим обе схемы подробнее.

Схема одновходового компаратора.

На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).

Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).

Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.

Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже

Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).

В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).

Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже

Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).

Теория это хорошо, но теория без практики - это просто сотрясание воздуха. Перейдя по ссылке всё это можно сделать своими руками

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта - chipenable.ru

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой -  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  

   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

 

   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель - LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.

   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.   

 

 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В

 

   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation - насыщение). 

   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1..2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания. Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка. Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.

 

С учетом выше сказанного:

 

1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В

2)Uout = ~0 В

 

   То есть пока входной сигнал меньше опорного - на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю. 

 

   Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.  

 

   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 

 

 

 

   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  

   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.

 

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает. 

   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 

   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.

 

1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В

 

2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В

 

   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит. Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 

     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

 

 

   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

 

  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории. 

   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.

 

 

 

Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  

 

Uht = +Usat*R2/(R2+R1)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1)

 

 

 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором. Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 

 

   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

   Теперь о недостатках схемы.

   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  

   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

chipenable.ru

Триггер Шмитта на операционном усилителе (ОУ)

Триггера Шмитта является очень полезным элементом при проектировании проектировать схем различных устройств.

Применение триггера Шмитта

Триггера Шмитта используется во многих областях электроники и связи. Довольно часто используется в цифровых схемах для сопряжения аналогового сигнала. Триггер срабатывает при определенном напряжении на его входе, выдавая сигнал логического уровня в зависимости от уровня напряжения на входе.

Например, для восстановления цифрового сигнала в зашумленных линиях связи, в системах цифро-аналогового преобразования и так далее.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Для построения триггера Шмитта используют компаратор на обычном операционном усилителе (ОУ) или же применяют специальную микросхему компаратора, и это встречается чаще.

Необходимо обратить внимание, что при использовании ОУ в триггере Шмитта, если входной сигнал является медленно нарастающим или имеет шумы, то существует вероятность того, что выход будет многократно переключаться, вследствие неполного закрытия-открытия выходного транзистора ОУ. Это связано с таким параметром ОУ как входное напряжение смещения.

Обычный компаратор может быть легко преобразован в триггер Шмитта путем добавления положительно-обратной связи (ПОС) операционного усилителя или компаратора. Это обеспечивается добавлением резистора R3 в приведенной ниже схеме.

Эффект от данного резистора (R3) проявляется в том, что он смещает порог переключения зависящий от выходного состояния компаратора или операционного усилителя.

 Когда выходной сигнал компаратора является высоким, то это напряжение подается обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя. В результате порог переключения становится выше. Когда же на выходе напряжение падает, то порог переключения также снижается. Это придает схеме так называемый гистерезис.

Применение положительно-обратной связи создает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал медленно изменяющийся. Так же для увеличения скорости переключения триггера Шмита, параллельно резистору ПОС подключают так называемый скоростной конденсатор емкостью 10…100 пФ.

Довольно легко подобрать резисторы, необходимые для работы триггера Шмитта. Уровень напряжения, при котором необходимо, чтобы триггер переходил в свое противоположное состояние, задается делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Это первое что необходимо сделать. Затем уже подбирается резистор обратной связи R3.

Особенности построения Триггера Шмитта на ОУ

При использовании ОУ в качестве компаратора, необходимо соблюдать осторожность. Операционный усилитель спроектирован для функционирования в схемах с отрицательной обратной связью. В результате, производители ОУ не гарантируют, что ОУ будут также надежно работать в цепях без обратной связи, либо с положительной обратной связью, как и в случае с триггером Шмитта.

fornk.ru

6. Триггеры Шмитта на оу

Наряду с простейшей схемой компаратора широко используется схема на ОУ с положительной обратной связью, называемая триггером Шмитта. Охват ОУ петлей положительной обратной связи и его работа в режиме насыщения, когда выходное напряжение может принимать только два значения (+Uвых max и -Uвых max) приводят к появлению на передаточной характеристике триггера Шмитта петли гистерезиса и двух значений напряжения входного сигнала, в которых происходит опрокидывание схемы.

В схеме, приведенной на рис. 5.4,а, входное напряжение подается на инвертирующий вход ОУ. Опорным в этой схеме служит сумма напряжений, подаваемых на неинвертирующий вход с выхода ОУ через делительную цепочку резисторов Rи R(по цепи положительной обратной связи) и от дополнительного источника U.

Рисунок 5.4. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на инвертирующий вход ОУ (U0 > 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Величина опорного напряжения в схеме рис. 5.4,а может быть определена с использованием принципа суперпозиции. Компонента этого напряжения, поступающая с выхода ОУ, определяется при условии, что напряжение дополнительного источника равно нулю (U = 0). Компонента напряжения, обусловленная источником U, определяется при условии заземления выходной клеммы ОУ. Тогда величина опорного напряжения

u = uвых+U. (5.1)

При напряжении на выходе ОУ, равном +Uвых max, согласно соотношению (5.1) на неинвертирующий вход подается напряжение

U=U+R, (5.2)

которое называется напряжением срабатывания. При выходном напряжении, равном -Uвых max, на неинвертирующем входе ОУ напряжение равно

U=U - R (5.3)

которое называется напряжением отпускания. Напряжения срабатывания и отпускания – это значения, при которых происходит опрокидывание триггера Шмитта со схемой на рис. 5.4.а.

Передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.4,а представлена на рис. 5.4,б. Ее ход может быть объяснен следующим образом. Пусть напряжение на выходе ОУ равно +Uвых max, что обеспечивается при величине входного напряжения меньше напряжения срабатывания. При повышении входного напряжения положительное напряжение Uвых max на выходе ОУ будет сохраняться до тех пор, пока напряжение uне сравняется с напряжением срабатывания, после чего на выходе ОУ напряжение становится отрицательным и равным -Uвых max. Эта величина выходного напряжения не изменяется при дальнейшем увеличении входного напряжения. При опрокидывании схемы напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменится и станет равным напряжению отпускания U.

При обратном изменении входного напряжения, т.е. при его уменьшении, напряжение на выходе ОУ будет положительным лишь после того, как uсравняется с напряжением отпускания и произойдет опрокидывание схемы. Выходное напряжение, равное +Uвых max, сохраняется при дальнейшем уменьшении выходного сигнала.

Таким образом, передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис, ширина которого при схеме рис. 5.4,а равна

U- U= Uвых max, (5.4)

а напряжение, равноудаленное от напряжения срабатывания и напряжения отпускания, т.е. соответствующее центру петли гистерезиса,

Uцентр= U0. (5.5)

В схеме триггера Шмитта, приведенной на рис. 5.5,а, входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий. Кроме входного напряжения, на неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ОУ через делительную цепочку, составленную из резисторов Rи R. По аналогии с соотношением (5.1) можно получить уравнение, связывающее напряжение на неинвертирующем входе ОУ с входным

uнвх = uвых+ uвх . (5.6)

Рисунок 5.5. Триггер Шмитта при подаче входного напряжения

на неинвертирующий вход ОУ (U0 < 0):

а – схема триггера, б – его передаточная характеристика

Соотношение для определения величин, при которых происходит опрокидывание схемы получается из уравнения (5.6) при учете условия

uнвх =U0

и подстановки вместо напряжения uвых двух значений: +UВЫХ max и

-UВЫХ max. При подстановке -UВЫХ max получается большая из этих двух величин, т.е. определяется напряжение срабатывания.

Uср =, (5.7)

а при подстановке +UВЫХ max определяется напряжение отпускания

Uотп =. (5.8)

На рис. 5.5,б приведена передаточная характеристика триггера Шмитта со схемой рис. 5.5,а, которая имеет петлю гистерезиса. Изменение полярности напряжения на выходе триггера с отрицательного на положительное происходит при приближении uвх к напряжению срабатывания, когда выходное напряжение отрицательное. При приближении uвх к напряжению отпускания, когда на выходе триггера Шмитта положительное напряжение, т.е. с противоположной стороны, происходит изменение полярности выходного напряжения с положительной на отрицательную. Ширина петли гистерезиса определяется как:

Uср- Uотп = , (5.9)

а ее центр

Uцентр= U0. (5.10)

Таким образом, согласно (5.5) и (5.10) смещение петли гистерезиса передаточной характеристики триггера Шмитта осуществляется изменением напряжения источника U0, аналога источника опорного напряжения в компараторе.

Рисунок 5.6. Временные диаграммы, иллюстрирующие

переключения триггера Шмитта при многократных

небольших изменениях контролируемого напряжения

Использование триггера Шмитта придает системам автоматического регулирования и защиты новое свойство. Действительно, при применении простейшей схемы компаратора величина напряжения, при которой срабатывают эти системы, остается одинаковой вне зависимости от того, в какую сторону изменяется величина контролируемого напряжения. При применении триггера Шмитта срабатывание систем автоматического регулирования или релейной защиты будет происходить при превышении контролируемым напряжением величины U, а восстановление режима работы аппаратуры, которое было до срабатывания, происходит только после уменьшения контролируемого напряжения ниже напряжения отпускания. Такое разделение напряжений срабатывания и отпускания обеспечивает, в частности, иные условия работы аппаратуры, при многократных небольших изменениях контролируемого напряжения. При применении простейшего компаратора режимы работы аппаратуры будут многократно изменяться в соответствии с изменением контролируемого напряжения. Применение триггера Шмитта исключает такие частые переключения, которые не всегда необходимы. Это иллюстрируется построениями на рис. 5.6.

В схемах компаратора и триггера Шмитта при переключении происходит резкое изменение режима работы с ОУ. В таких условиях работы важно быстродействие ОУ, которое характеризуется задержкой срабатывания (временем задержки момента изменения выходного напряжения) и временем нарастания выходного напряжения. Для работы в импульсном режиме выпускаются специальные ОУ, у которых время срабатывания составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

studfiles.net

Принцип работы триггера Шмитта на ОУ

Триггер Шмитта -  это компонент электронного устройства, функция  которого  является формирование постоянно изменяющегося сигнала на входе в серию прямоугольных импульсов на выходе. Применяется  в аналого-цифровых преобразователях, фильтрах, линиях связи.

Триггер Шмитта имеет свое отличие от других видов триггеров тем, что он имеет единственный вход и один выход и не имеет свойства памяти. Триггер Шмитта состоит из двух инверторов, имеющих положительно-обратную связь (ПОС), в результате чего состояние выхода триггера может меняться лавинообразно.

Описание работы схемы

Триггер Шмитта  это компаратор, имеющий ПОС.  В данной схеме доля выходного электрического сигнала ОУ поступает на прямой вход и устанавливает уровень, при котором схема будет переключаться.

Принципиальная схема работы триггера Шмитта на ОУ изображена ниже.

ОУ подключен к двухполярному блоку питания на 5 вольт. На инверсный вход DA1 поступает синусоидный  сигнал равный амплитуде 2 В. Сопротивления R1 и R2 имеют значения 25 кОм и 10 кОм. Напряжение на прямом выводе DA1 поступает с делителя напряжения построенного на резисторах R1 и R2, который подключен к выходу ОУ.  Формула расчета для определения напряжения насыщения:

1. Uвх1 = +U*R2/(R1+R2) = 3,5*10/35 = 1 В
2. Uвх1 = -U*R2/(R1+R2) = -3,5*10/35 = -1 В 

Когда на выходе ОУ напряжение с положительным потенциалом насыщения – на прямом входе напряжение равно  1 вольту. Предположим, входной электрический сигнал постепенно увеличивается с нуля. Пока потенциал входного сигнала не превышает напряжения на прямом входе – схема находится в стабильном состоянии. Чуть только входной электрический сигнал превзойдет величину в  1 вольт, напряжение на входе ОУ сменит свою полярность на отрицательное напряжение  насыщения. Это поменяет напряжение на прямом входе ОУ, и оно будет равно -1 вольт.

Входной электрический сигнал постепенно будет увеличиваться до максимума, а затем начнет уменьшаться. После того как амплитуда сигнала на входе станет менее 1 вольта, то на выходе ОУ будет так же отрицательный потенциал насыщения. Как только сигнал на входе пройдет величину -1В, напряжение на выходе   поменяется и будет равным положительному потенциалу насыщения.

На графике можно наблюдать зависимость выходного напряжения триггера Шмитта от входного.

В результате такой работы схемы шумы входного сигнала не будут влиять на выходной сигнал.

www.joyta.ru

Схема триггера Шмитта на ОУ (регенеративный компаратор) — КиберПедия

Рис. 5

Переключение схемы в состояние происходит при достижении Uвх значения Uср, а возвращение в исходное состояние при снижении Uвх до Uотп. Значения этих напряжений:

Расчет схемы состоит в определении Uоп, R1, R2, R3. Значения Uср и Uотп найдены при расчете предшествующего блока. Поскольку уравнений два, а неизвестных – три, следует задаться значением одного из резисторов.

R1= 10 кОм (Рекомендуется задаться R1=5¸50 кОм)

R2= 306 кОм (Из формул (1) (2) путем вычисления системы математических. уравнений)

Из формулы (1) получим Uоп

Сопротивление R3 определяется по формуле:

Источник Uоп

Рис. 6

При расчете цепи следует задаться значением R2 на порядок меньшим входного сопротивления компаратора: R2=20 кОм,

После чего найдем R1:

 

Характеристика компаратора

Рис. 7

 

 

2.5 Выходной усилитель

В качестве ВУ может использоваться усилитель на транзисторе с ОЭ, в коллекторную цепь которого включается лампа накаливания. Транзистор работает в ключевом режиме.

Выходной усилитель

Рис. 8

При его расчете задается значение Еk, не менее номинального значения напряжения питания Uн лампы Н. Если Еk>Uн, устанавливается балластный резистор Rб. Ток коллектора транзистора:

,

где - номинальное сопротивление лампы; здесь Iн – номинальный ток лампы.

Из этого выражения находится Rб.

Ек выбираем равным 6,3 В

т. к. Ек =6,3; Rб – не требуется.

 

Выбираем транзистор VT с соблюдением условий:

Возьмем транзистор КТ 814 А, для которого эти условия соблюдаются. Используем составной транзистор.

Таблица 3

Тип транзистора	Ukэmax, В	Ikmax, мА	В, (h31э)	Iko, мкА	Тип проводимости	tmax, 0С	Pkmax, мВт
КТ814 А			³ 40		p-n-p

где к=1,1…1,3 – коэффициент запаса по насыщению;

Находим R1:

где - выходное напряжение СУ при срабатывании;

- выходное сопротивление СУ.

 

3 Расчет блока питания

 

3.1 Структурная схема и таблица нагрузок блока питания

Структурная схема БП

Рис. 9

Блок питания является важнейшим элементом УКС, предназначен для обеспечения всех его элементов питающим напряжением заданного качества.

Составим таблицу нагрузок БП

Таблица 4

Параметр Потребитель	Напряжение питания, Uн, В	Допустимое изменение напряжения питания, (В)	Потребляемый ток	Коэффициент пульсаций, kп, %
минимальный, , мА	максимальный, , мА
1. Датчик	+15	±2 (0,3)
2. ПУ	+15 -15	±2 (0,3) ±2 (0,3)	2,8 2,8	2,8 2,8
3. СУ	+15 -15	±2 (0,3) ±2 (0,3)	2,8 2,8	3,1 3,1
4. ЗУ	+15 -15	±2 (0,3)	0,09	0,09
5. ВУ	-6,3	±10 (0,6)
6. СПП	-6,3	±10 (0,6)

 

Выбираем в качестве СПП светодиод зеленого цвета свечения

Таблица 5

Тип диода	Iпр max, A	Uобр max, В	Iобр max, mA	Uпр, В	Примечание
АЛ307 В	0,022		–	2,8	зеленый

 

 

3.2 Расчет стабилизаторов

 

 

Расчет тока нагрузки по каналу +15 В

 

Т.к. IHmax+15£30 мА – выбираем параметрический стабилизатор (ПС) с маломощными стабилитронами;

 

Выбор стабилизатора по каналу -15 В

Т.к. IHmax-15£30 мА – выбираем параметрический стабилизатор (ПС) с маломощными стабилитронами;

 

В канале -6.3 В стабилизатор не нужен.

Для каналов ±15В выбираем одинаковые схемы стабилизаторов.

Параметрический стабилизатор напряжения

Рис.10

Из справочника выбираем стабилитроны (включенные последовательно) отвечающие условию:

где Ukci – напряжение стабилизации каждого отдельного стабилитрона.

Таблица 5

Тип стабилитрона	Uст, В, ± 10%	Iстmin, мА	Iстmax, мА	Rдин, Ом	ТКНст, %/0С
Д814 А					+0,07

 

 

Оценим изменение Uн под воздействием изменения температуры:

где aст – в процентах, со знаком;

tmax,0C – максимальная температура окружающей среды.

, удовлетворяет условиям.

Рассчитываем значения Rб и Ud. Напряжение Ud изменяется при изменении напряжения в сети в пределах от до . Так, если колебания сетевого напряжения составляют от –10% до +10%, то , а . Эти колебания можно выразить через коэффициенты:

где k2=0,9 ; k1=1,05.

В одном из двух возможных предельных режимов, когда ток нагрузки максимален , а напряжение Ud минимально, ток через стабилитрон будет минимальным. Он должен быть не менее . Для этого режима можно записать:

,

другой предельный режим будет иметь место, когда Ud максимально, а ток нагрузки минимален. в этом режиме ток через стабилитрон максимален:

 

в этом режиме ток через стабилитрон по условиям его безопасной работы не должен превысить предельного для него значения:

,

чтобы из этих уравнений найти Rб и Ud необходимо задать и

Значение задаем на уровне mA

Значение можно найти из следующих соображений:

 

,

Где ,

Rдин= Rдин1 + Rдин2=6+6=12.

Из этого следует что = 0,6 / 12 + 0,003 = 53 mA Берем = 36 mA

Решаем систему из двух уравнений (1) и (2)относительно Rб и Ud.

Ud=20,2 В ; Rб= 98,2 Ом.

Определяем коэффициент стабилизации стабилизатора:

Находим коэффициент пульсаций:

где kп – коэффициент пульсаций на выходе стабилизатора.

Если по расчету получается , следует принять . Пульсации дополнительно снижают Ud, что может нарушить работу стабилизатора при . потому найденное ранее значение Udследует увеличить на величину пульсаций, т.е. в (1+ ) раз, где - в относительных единицах.

 

 

 

Проверяем КПД стабилизатора:

,

где - ток потребления стабилизатора в номинальном режиме.

=27% т.к. > 20-25% значит стабилизатор подходит.

 

3.3 Расчет выпрямителей и фильтров

Для каналов + 15 В

Ud= 21,21 B Id= 0,063 A kn= fc=50Гц

Определяем сопротивление нагрузки: Rн = Ud/Id = 21,21/0,063 = 336,6 Ом

Таблица 6 Формулы для расчета выпрямителя с емкостным фильтром

Схема выпрямителя	Uобр	Iср	А	U2	I2
Двухполупериодная мостовая	U2	Id		BUd	DId

А, В, D - расчетные коэффициенты.

cyberpedia.su

компаратор и триггер Шмитта на ОУ

Published: Чт. 24 Ноябрь 2016 By Oleg Mazko

In Electronics.

tags: gEDA ngspice ОУ

Продолжаем осваивать NGSPICE вообще и ОУ в частности.

Компаратор сравнивает два аналоговых сигнала и выдаёт двоичный результат в виде 0 или 1 на выходе. Простейшую схему компаратора на ОУ мы уже построили ранее - на один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой - сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика. Так как в схеме отсутствует обратная связь, то идеальный ОУ может быть только в режиме насыщения и соответственно либо с минимальным либо максимальным уровнем напряжения питания на выходе. В зависимости от того на какой из дифференциальных входов подаётся опорное напряжение компаратор может быть соответственно инвертирующим и неинвертирующим.

В следующих схемах использовалась SPICE модель операционного усилителя LT1007:

~$ wget http://cds.linear.com/docs/en/software-and-simulation/LT1007CS.txt

неинвертирующий компаратор с однополярным питанием | netlist | ngspice.js

ngspice 1 -> source comparator-single.net ngspice 2 -> tran 10u 4m ngspice 3 -> plot v(out) v(in)

Опорное напряжение задано делителем Rf1/Rf2 и очевидно равно 5В. При этом на вход поступает сигнал сложной формы. Компаратор отработал логически правильно сработав четырежды т.к. входное напряжение четырежды перевалило отметку 5В, однако на практике зачастую требуется иное поведение если предположить что провал напряжения посредине это была помеха. Для борьбы с этим неприятным явлением в компаратор с помощью ПОС добавляют гистерезис и называется такое решение триггером Шмитта.

Как видно на следующей схеме, триггер Шмитта очень похож на обычный компаратор за исключением положительной обратной связи через резистор Rf. Гистерезис добавляет задержку выключения компаратора и тем самым обеспечивается более высокая помехоустойчивость схемы.

инвертирующий триггер Шмитта с однополярным питанием | netlist | ngspice.js

ngspice 1 -> source shmitt-trigger-single.net ngspice 2 -> tran 10u 4m ngspice 3 -> plot v(out) v(in)

Приблизительный расчёт напряжений срабатывания с гистерезисом:

• верхний порог V1*Rf2/(Rf2+Rx) = 15*15000/(15000+29876) ≈ 5 В, где Rx = (Rf1*Rf)/(Rf1+Rf) = 47000*82000/(47000+82000) ≈ 29876 Ом

• нижний порог V1*Rx/(Rf1+Rx) = 15*12680/(47000+12680) ≈ 3.2 В, где Rx = (Rf2*Rf)/(Rf2+Rf) = 15000*82000/(15000+82000) ≈ 12680 Ом

Ну а фактически на картинке верхний порог срабатывания получился чуть меньше 5 Вольт, тогда как нижний чуть больше 3 Вольт.

Далее немного о выходных каскадах усилителей.

proiot.ru

---

• 
  Кто открыл материки таблица
• 
  Ответвительная опора
• 
  Примеры электромагнитная индукция
• 
  Как определяется единица напряжения
• 
  Телефон горячей линии моэк
• 
  Что такое сип в электрике расшифровка
• 
  Тэн чи
• 
  Инверторный сварочный аппарат как работает
• 
  Токовый шунт
• 
  Когда включат отопление в квартирах в москве
• 
  Встроенные двойные светильники в потолок