/{g вычисляется нз соотношения

14 В-0.7 В

/?4 =

1 мА/50 14 В - 4,7 В Ст + 4 ~ 2 мА + 3 мА

= 665 кОм,

1,86 кОм.

Компаратор с окном может быть построен по схеме, показанной на рнс. 11.4. Он выдает выходной сигнал, лишь если входной сигнал имеет значение в промежутке между напряжениями верхней н нижней точек опрокидывания нлн, иначе, если входной сигнал превышает напряжение нижней

Рис. 11.4. Компаратор с окном.

вх>втО| fBx<HTO -высокое выходное напряжение; £/вхО>вх>/НТО- зкое выходное напряжение; t/BTO = ton [( г + зЖ!+ 2 + з)1- НТО = оп +

+ 2 + з)]-

Примечание. Для компаратора с двумя источниками питания в случае, когда ВТО HTO отрицательны, землей может служить источник -U.

точки опрокидывания и не достигает напряжения верхней точки опрокидывания. Компаратор с окном может быть использован для провер1си верхней и нижней границ изменения напряжения Электронных приборов.

Например, если предполагается, что значение выходного сигнала прибора, подлежащего испытанию, находится в Пределах между 4,8 и 5,2 В, то у компаратора устанавливается t/вто == 5,2 В, а Umo = 4,8 В.

Если выходной сигнал превышает 5,2 В, то выходное напряжение ОУ-Vi будет иметь высокий уровень; если выходной сигнал имеет значение, меньшее 4,8 В, то выходрюе напряжение ОУ -Уг становится высоким. Если выходной сигнал испытуемого прибора (ППТ) находится в пределах 4,8 н 5,8 В, то выходной сигнал обоих ОУ (У1 и Уг) будет иметь низкий уровень. Диоды

Д образуют вентиль ИЛИ по отношению к выходам У, и У^. Таким образом, если у одного из двух усилителей выходное напряжение имеет высокое значение, то и выходной сигнал схемы также высок.

Пример 11.3. Построить компаратор с окном по схеме рнс. 11.4, используя компаратор типа LM311. Напряжение Снто = 6 В, Umo = 5 В, fon = -- U = = 12 В; нет необходимости в стробированнн; Rk -= 2 кОм. Условия работы компаратора:

> f/gTO вх < нто ~ высокий уровень выходного сигнала,

t/g-j-Q > > НТО -низкий уровень выходного сигнала.

fBTO = оп [(?2 +/?з)/(Л1 + 2 + ?з)].

tHTO = cn [Wl + ?2+/?.#

Замечание. Вместо потенциала земли на схему подается -U (компараторы с двумя источниками питания), если t/exo илн Ото не положительно. Решение: Так как стробирование не требуется, то вход стробирующего сигнала у LM311 присоединяется к выводу 5. Прн Ри = 2 кОм схема LM311 может обеспечить требуемый выходной ток с запасом. Поэтому остается только вычислить значения Ri, R2 и Рг w выполнить соответствующие соединения. Пусть ток делителя /дел = 0.5 мА. Тогда

1 = (tcn - вто)/ел = (12 В - 6 В)/0,5 мА = 12 кОм,

R2 = (вто - нто)Л„ел = (6 В - 5 В)/0,5 мА = 2 кОм,

Rs = lmo/рел = 5 В/0,5 мА = 1 о кОм.

11.1.3. АВТОМАТИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ

Основой всякого существующего оборудования для автоматического тестирования (испытания продукции или других объектов) служит точный компаратор. После установки условий контрольных, испытаний с его помощью осуществляется сравнение напряжения на зажимах устройства, подлежащего тестированию с опорным напряжением. Если напряжение тестируемого устройства выще или ниже опорного, то в зависимости от. поставленных требований оно проходит или не проходит проверку. Например, предположим, что логической 1 цифрового вентиля НЕ-И должно соответствовать минимальное напряжение 2,4 В при минимальном значении (Укк = 4,75 В и 0,8 В на каждом входе. Будем полагать, что вентиль серии 7400 не проходит контроля, если выходной сигнал вентиля меньше чем 2,4 В, и проходит, если он выше 2,4 В при отдаваемом токе /вых. макс = 400 мкА. Воспользуемся сформулированным условием теста и применим компаратор, как показано на рис. П.5, для сравнения выходного сигнала испытуемого прибора с точно установленными 2,4 В опорного напряжения. Если положительные значения выходного сигнала компаратора соответствуют условию теста, а отрицательное не проходит, то входы компаратора необходимо подключить так, чтобы получить надлежащую полярность выходного сигнала, характеризующую результат те-

стирования. Так как в рассматриваемом примере тестирование осуществляется с целью установить факт, что выход вентиля меньше 2,4 В, то при этих условиях выходной сигнал ОУ должен быть отрицательным. Для того чтобы удовлетворить этому условию, опорное напряжение присоединяется к инвертирующему входу, а тестируемый сигнал - к неинвертирующему.

к ми

ППТ

Рис. 11.5. Использование компаратора при испытаниях элементов для выявления их годности.

вых

ППТ-прибор, подлежащий тестированию, а-проверка Г/ых. мии = -f/gjjj- негоден ; б-проверка

при

= + вых- >-ВД - вых=

годен , и

негоден

Теперь, если выходное напряжение испытуемого прибора меньще, чем опорное напряжение, получим отрицательный выходной сигнал, что и необходимо иметь для случая негоден . Положительный выходной сигнал для случая годен и отрицательный для случая негоден могут быть для регистрации направлены к системе световой индикации, введены в вычислительную машину или записаны каким-либо другим способом. При этих испытаниях нагрузочное сопротивление R выбирается равным R =

= tBbix. накс вых. макс = 2,4 В/400 МК.Л = 6 кОм.

Условия теста могут устанавливаться с помощью программируемых источников питания и источников тока, которые присоединяются к выводам тестируемого устройства с помощью реле или аналоговых ключей. Компаратор может быть подключен к различным выходам тестируемого устройства и к соответствующему опорному напряжению также с помощью реле или аналоговых ключей.

Опорное напряжение может быть получено от точного про-граммируемвго источника питания или с помощью системы точ-

малых искажениях. Эти схемы стабилизации могут быть достаточно сложными и содержать до четырех дополнительных ОУ. На рис. 9.11,6 показан генератор с мостом Вина, использующий один усилитель. Контур положительной обратной связи имеет одинаковые по величине резисторы и конденсаторы. Контур отрицательной обратной связи имеет петлевой коэффициент усиления 2. Это обеспечивает значение р, несколько большее чем 1/3, что гарантирует генерацию колебаний.

Диоды, включенные по параллельно-встречной схеме, обеспечивают автоматическую стабилизацию коэффициента усиления. По мере того как возрастает (Увых, динамическое сопротивление диодов падает в соответствии с соотношением д = = 26 мВ д, где Гд - динамическое сопротивление диода, /д - мгновенное значение тока диода, 26 мВ- температурный потенциал диодного перехода при комнатной температуре.

Таким образом, по мере возрастания t/вых общее сопротивление Ro.c понижается, стабилизируя амплитуду выхода и предотвращая ее грубое ограничение. Сопротивление потенциометра П равно R ~ 2/?,; потенциометр используется для установки амплитуды колебаний. Резистор обратной связи выбирается так, чтобы ограничить искажения, и может быть выбран экспериментально по наименьшим искажениям. Максимальная частота выходных колебаний ограничивается скоростью нарастания напряжения на выходе усилителя. С помощью этой схемы могут быть получены малые искажения - порядка 0,05 7о. Применение буферного усилителя на выходе почти всегда необходимо. Имеется много других типов генераторов синусоидальных колебаний, использующих ОУ.

Пример 9.3. Рассчитать генератор с мостом Вина по схеме рис. 9.11,6 на частоту 10 кГц. Взять значение С = 0,001 мкФ.

Решение: = \l2nPC, Р = 1/2я,/оС = 1/2я,(10 кГц) (0,001 мкФ). При р = 1/3, Кз = Ъ положим Pi = 25 кОм. Затем Pi + P = 75 кОм. Поэтому Ру = = 25 кОм, Р^=т кОм.

9.11.2. ГЕНЕРАТОР КОЛЕБАНИИ ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Имеется много типов генераторов нелинейных сигналов, построенных на основе ОУ. В этой главе будут рассмотрены только простые схемы, по одной из каждого класса. Схема, показанная на рис. 9.12, представляет собой простой генератор сигналов прямоугольной формы. Стабилитроны, включенные по последовательно-встречной схеме, стабилизируют амплитуду выходного напряжения, ограничивая ее величинами -ft/ст и -Uct Эти пределы ограничения не обязательно должны быть симметричными, хотя обычно они таковы. /?о.о и С вместе с уси-

)}, лителем, действующим в качестве компаратора, обеспечивают временные соотношения в схеме. Положительная обратная связь

V реализуется с помощью делителя напряжения Rs и Ri, подключаемого к неинвертирующему входу усилителя. Коэффициент .обратной связи

Р == ЯЛЯз + Ri) при RiRs и Ri. (9.5)

Входные резисторы Ri используются для того, чтобы гарантировать высокое полное входное сопротивление усилителей, снаб-

вых

-КУст+0,7В)

-([/Ст+0,7В)

Рис. 9.12. Генератор сигналов прямоугольной формы.

женных защитой входа при больших дифференциальных сигна- лах. Для того чтобы рассмотреть работу схемы, предположим, что выходной сигнал переключается с отрицательного на положительный. Конденсатор, имеющий отрицательный заряд, начинает заряжаться положительно. Когда напряжение конденсатора достигает напряжения на неинвертирующем входе, которое должно быть равно +Ubux = +(Jct, выход схемы переключается, его напряжение становится отрицательным и цикл

Так как резисторы имеют двоичный вес, то каждое замыкание ключа и соответственно каждый включенный резистор обеспечивают коэффициент усиления, соответствующий выбранному двоичному разряду. Из таблицы на рис. 11.6,6 можно усмотреть зависимость выходного сигнала от порядка замыкания ключей. Так как имеется четыре ключа, можно преобразовать 16 двоичных чисел в 16 различающихся по величине выходных напряжений.

Главная трудность при построении ЦАП с сопротивлениями, имеющими двоичный вес, заключается в том, что во всех двоичных разрядах должны быть использованы резисторы с различными сопротивлениями. Так, 8-разрядный преобразователь требует резисторов, сопротивление которых изменяется в пределах от R до 128/?. Если R = 10 кОм, то 128/? = 1,28 МОм. Трудно изготовить резисторы со столь большой вариацией сопротивления, которые были бы очень точны, согласованы между собой и имели одинаковый температурный коэффициент сопротивления. Цифро-аналоговый преобразователь типа R-2R. Более распространенным типом ЦАП, в котором решается проблема сопротивлений, является ЦАП со схемой делителя R-2R. Этот преобразователь коммутирует только сопротивления двух значений (или одного, когда значение 2R получается в результате последовательного соединения двух /-резисторов), обеспечивая при этом любой желаемый уровень выходного напряжения (соответствующий двоичным разрядам входного числа). Многие вариации основной ступенчатой или лестничной схемы R-2R составляют основу как монолитных, так и гибридных интегральных схем ЦАП*).

На рис. 11.7 показан 4-разрядный ЦАП со схемой R-2R делителя.

Как и ранее, каждый цифровой разряд задается замыканием ключа. Как и прежде, цифровое двоичное число 1010 (десятичное 10) должно быть введено в схему замыканием ключей Кл1 и Клз. Операционный усилитель представляет собой-просто буфер. Выходной сигнал усилителя будет равен

f/вых = [(/?! +/?o.c) ?ll-

Лестничная схема R-2R функционирует просто как делитель напряжений с двоичными весовыми коэффициентами деления или как двоичный делитель тока. Использование резисторов одной и той же величины и одного и того же типа позволяет сделать более свободными допуска на сопротивления резисторов и более близкими их температурные зависимости. Таблица зависимости коэффициентов деления напряжения в точке

> Резистивные матрицы R-2R называют матрицами постоянного полного сопротивления. - Прим. ред.

ВЫИ

Рис. 11.7. Цифро-аналоговый преобразователь типа R-2R,

я-схема ЦАП r-2r. У-буферный усилитель, С/з^,х=.[( о 1] У^п (У^/С^оп)

If-таблица зависимости коэффициента деления напряжения в точке d от значения двоичного кода.

Von о

Кл, 2/?

КЛг 2/7

UonO-~-<-СИ

1.2 ff

2Р

-О У(/=о,г5Уоп

d лестничной схемы от значений двоичного входа приведена на рис. 11.7, б.

Для того чтобы уяснить, как вычисляются коэффициенты деления, обратимся к рис. 11.8. Для четырехразрядного входа требуется получить 16 определенных уровней напряжений. Если ключ Кл1 подключен к Uon, а ключи Клг, Клз, Кл4 заземлены, то входное цифровое слово составляет половину своего максимального значения, так что Ua должно быть равно Угоп-

Начиная снизу лестничной схемы, убеждаемся, что выходные сопротивления схемы в точках а, b и с равны R. Сопротивление в точке d по отношению к земле равно сумме Ro.c + + R = 2R. Поэтому, как это показано на рис. 11.8, а, напряжение в точке d есть Ua = t/on/2.

Если ключ Кл2 подключен к Uon и ключи КЛ2, Клз и КЛ4 подключены к земле, то сопротивление схемы в точке b будет равно R, а сопротивление от точки с к земле (рис. 11.8,6) образуется из двух параллельных ветвей: одной, состоящей из сопротивления 2R, и другой, состоящей из последовательного соединения сопротивлений R и 2R. Напряжение в точке с при этом будет

Uc = Uon(l,2R/3,2R) = 0,375Uo .

Напряжение в точке с делится на делителе из последовательно соединенных сопротивлений R и 2R. ;

Ua = 0.375f/o {2R/3R) = 0.25С/,

КЛз

Uon о-(Г-о-

1,076 R i

1,2 ff<

1 Г I

1,2/7< 2R

-o i/rf = 0,125 tfoa

Рис. 11.8. К расчету коэффициента деления напряжения в цепи R-2R. а - эквивалентная схема при подключении Кл, к U; б - эквивалентная схема при подключении Кл к Uj U=U (1,2J?/ /3,2 )==0,375t/p, £/=0,375£/o (2R/3R)=0,25U: в - эквивалентная схема при подключении Клд к f/ £/6=0 344f/on c~ = 0,187б£/цд, £/g = 0,1876£/on=0,344f;Q(l,2R/2,2 ).

Всякий раз, когда ключ Клг переключается на Uon, напряжение, равное 0,25t/on, добавляется к напряжению в точке d.

Если ключ Клз подключен к Uon, а ключи Кль Кл2, Кл4 подключены к земле, то образуется схема, приведенная на . рис. 11.8, е. Схема упрощена так же, как это было в случае, когда ключ Клг был подключен к Uon- Всякий раз, когда ключ Клз подключается к Uon, в точке d добавляется напряжение, равное 0,125t/on. Аналогично, когда Кл4 подключен к Uon- при

> Следует также упомянуть об использовании АЦП в гибридных вычислительных системах для связи цифровых и аналоговых вычислительных машин.-Прим. перев.

заземленных ключах Кль Клг и Клз, напряжение в точке d будет 0,0625 t/on.

Напряжение в точке d при любом наборе положений ключей может быть быстро определено, так как каждый ключ, подключаемый к t/on, добавляет напряжение, равное его относительному двоичному весу. Например, если входное двоичное число есть 1011 (десятичное 11), то выходное напряжение в точке d будет

= 0,5t/o + 0.125t/o + 0,0625t/o = 0,6875t/on.

11.1.5. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) превращают аналоговый входной сигнал в цифровой код. АЦП используются, когда аналоговое выходное напряжение схемы или чувствительного элемента (например, мостового датчика температуры) должно быть преобразовано в цифровой код с целью удобной и экономичной регистрации данных или выполнения вычислений. АЦП широко используются в промышленных системах управления, цифровых системах связи и контроля). Перечень различных применений АЦП очень обширен и быстро растет. Имеется много типов АЦП, но большинство представляет модификации трех основных, которые кратко будут рассмотрены ниже. К основным типам АЦП следует отнести: 1) параллельные, или мгновенного действия , преобразователи; 2) интегрирующие преобразователи; 3) преобразователи с последовательной аппроксимацией (или поразрядного взвешивания).

Целый ряд АЦП в полупроводниковом исполнении на 8 и 10 разрядов доступен непосредственно для приобретения, а АЦП в гибридном исполнении на 16 и более разрядов производятся по заказам. Во всех АЦП используется один или большее число компараторов, которые играют существенную роль в их функционировании.

Параллельный АЦП. Параллельные АЦП, как это показано на рис. 11.9, а, по существу, представляют группу параллельных компараторов. Аналоговый входной сигнал прикладывается ко всем компараторам одновременно. Один из входов каждого компаратора подключается к собственному опорному напряжению. Значения опорных напряжений компараторов отличаются друг от друга на напряжение, соответствующее младшему двоичному разряду. Все компараторы, для которых б-вх > t/on, изменяют