Zaprojektowanie i zbadanie dyskryminatora amplitudy impulsów i generatora impulsów prostokątnych (inaczej multiwibrator astabilny).

Transkrypt

1 WFiIS LABOATOIM Z ELEKTONIKI Imię i nazwisko:.. TEMAT: OK GPA ZESPÓŁ N ĆWICZENIA Data wykonania: Data oddania: Zwrot do poprawy: Data oddania: Data zliczenia: OCENA CEL ĆWICZENIA Zaprojektowanie i zbadanie dyskryminatora amplitudy impulsów i generatora impulsów prostokątnych (inaczej multiwibrator astabilny). WSTĘP TEOETYCZNY Komparator to układ służący do porównywania analogowego sygnału ut () z pewnym napięciem referencyjnym. Idealny komparator może przyjmować tylko dwie wartości: jedną, gdy ut () < i drugą, gdy ut () >. Wtedy przejście pomiędzy stanami następuje dla ut () =. Dla tego punktu charakterystyka wyjściowe wykazuje nieciągłość (rysunek poniżej). Komparator napięcia jest układem o wejściu analogowym i wyjściu cyfrowym, pełni rolę jednobitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Bywa nazywany komparatorem analogowym, dla odróżnienia od komparatora cyfrowego, porównującego wielobitowe słowa. Dobrym przybliżeniem idealnego komparatora jest wzmacniacz operacyjny pracujący w zakresie nieliniowym, bez ujemnego sprzężenia zwrotnego. Na jedno z wejść podaje się sygnał, na drugie zaś napięcie progowe. Jeśli zaniedbać bardzo wąski przedział wokół wartości, to wyjście przyjmuje jeden z dwóch poziomów nasycenia: dolny L (Low) lub górny H (High). Obszarem błędnego działania dla komparatora jest zakres liniowej zależności pomiędzy wejściem i wyjściem. Napięcie na wyjściu zmienia się wtedy w zakresie pomiędzy wartościami poziomów logicznych. Można zmniejszyć obszar tej liniowej zależności przez podniesienie wzmocnienia ( k ). W praktyce stosuje się dodatnie sprzężenia zwrotne. Jeśli chcemy, aby nastąpił warunek generacji i tym samym sygnał wejściowy dawał początek przejściu z jednego stanu do drugiego to k β =. Wtedy przejście realizuję się Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz

2 własnymi siłami układu ze sprzężeniem. W praktyce z powodów bezpieczeństwa stosuje się kβ >. To z kolei prowadzi do powstania zjawiska histerezy. Histereza jest sposobem zabezpieczenia przed pasożytniczymi przeskokami komparatora, eliminuje zjawisko kilkukrotnego przeskakiwania napięcia na wyjściu komparatora, gdy napięcie wejściowe zbliża się do napięcia referencyjnego. Jeżeli na wejściu narasta napięcie to wtedy wyjście komparatora zmieni poziom, gdy napięcie referencyjne zostanie przekroczone o pewną, określoną wartość. Przy opadaniu napięcia wejściowego, napięcie wyjściowe zmieni stan, gdy spadnie o wartość poniżej napięcia referencyjnego. ysunek pokazuje odpowiednio konfigurację odwracającą i nieodwracającą oraz ilustruje jak wyjście przyjmuje jeden z dwóch poziomów logicznych: L lub H zaniedbując wąski przedział wokół wartości. Wybrane właściwości komparatora μ A70 : - czas odpowiedzi: 40ns - wzmocnienie napięciowe: 700 V V - poziom H na wyjściu: 3, V - poziom L na wyjściu: 0,5V - pobór mocy: 90mW - obciążalność bramkami TTL : Dyskryminatory są układami które porównują napięcie wejściowe ut () z napięciem odniesienia i w zależności od wyniku tego porównania dostarczają na wyjście jedno z napięć OL lub OH. W najprostszym przypadku można do budowy takiego układu zastosować wzmacniacz operacyjny dostarczając na każde z jego wejść jedno z napięć: wejściowe i odniesienia, otrzymując w wyniku na wyjściu układu jedno z dwóch napięć nasycenia (dodatnie lub ujemne). ozwiązanie takie posiada jednak pewną wadę, która praktycznie dyskwalifikuje ten układ: w wyniku podania wolnozmiennego napięcia na wejście dyskryminatora, na które dodatkowo nałożone jest napięcie szumów układ ten wygeneruje na wyjściu wielokrotne zmiany napięcia. Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz

3 W celu wyeliminowania tego niekorzystnego zjawiska stosuje się w praktyce komparatory w układzie dyskryminatora napięcia z histerezą. kład użyty do pomiarów przedstawiono na poniższych rysunkach. Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 3

4 Generator przebiegu prostokątnego oparty na układzie μ A70 został przedstawiony na rysunku poniżej. Obwód z rezystorami to pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego. Aby układ działał musimy spełnić warunek generacji. kład będzie astabilny, jeżeli przy stanie wysokim (3.V) na wyjściu komparatora, napięcie na jego wejściu odwracającym będzie większe niż na nieodwracającym (np. o mv). Ponieważ oba rezystory mają mieć taką samą wartość łatwo zauważyć, że przy stanie wysokim na wyjściu, na wejściu nieodwracającym napięcie jest równe połowie stanu wysokiego (.6V). Aby spełnić warunek generacji trzeba dobrać odpowiednie rezystory ' i ''. OPACOWANIE POMIAÓW Dyskryminator amplitudy. Założenia: - napięcie dyskryminacji = V - napięcie histerezy H = 00mV - OL = 0,5 - OH = 3, - = 00 + = Ω Obliczenia: I I I = = = I P P OT ( ) = ( ) P P OT Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 4

5 P = + OT + + ównanie powyżej rozbito na dwa skrajne przypadki: Ostatecznie: PL = + OL + + PH = + OH + + H = PH PL = ( OH OL) = 00mV , 7 + mv = V + = 00Ω 00mV = 00Ω 3, 7V = 3, 7kΩ = Ω W poniższej tabelce zamieszczono wyniki dla = 0,5V. prog [ ] P V OT[ V ] P[ V ] OT[ V] 0,4 3,64 0,35 3,67 0,49 3,67 0,4 3,67 0,5 3,68 0,4 3,67 0,5 3,7 0,43 3,67 0,5 3,74 0,435 3,66 0,53 3,78 0,44 3,66 0,54 3,79 0,445 3,65 0,55 3,85 0,45 3,64 0,56 3,9 0,45 3,64 0,57 3,99 0,45-0,48 0,58 3,3 0,477-0,48 0,59 3,37 0,478-0,48 0,595 3,336 0,479-0,48 0,596 3,338 0,48-0,48 0,597 3,34 0,35-0,48 0,598 3,344 0,485-0,48 0,599 3,345 0,489-0,48 0,6 3,346 0,49-0,48 0,60-0,474 0,494-0,48 0,60-0,474 0,5-0,48 0,603-0,474 0,5-0,48 0,604-0,475 0,5-0,48 0,605-0,475 0,55-0,48 0,6-0,475 0,58-0,48 0,6-0,476 0,6-0,48 0,63-0,476 0,65-0,48 0,64-0,476 0,65-0,476 0,66-0,476 0,7-0,476 0,8-0,476 Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 5

6 Histereza dla prog=0,5v 4 3,5 3,5 out [V],5 0,5 0 0,3-0,5 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 - p [V] Z danych pomiarowych można wyznaczyć wartości napięć następuje przeskok wartości napięcia na wyjściu. Jeżeli: PH = 0,60V PL = 0,475V to wartość napięcia histerezy wynosi: = 49mV H PL i PH, dla których Kolejny pomiar był dla = V. W tabeli poniżej zestawiono wyniki pomiaru. prog [ ] P V OT[ V ] P[ V ] OT[ V] 0,60 3,7 0,800 3,30 0,70 3,7 0,850 3,30 0,80 3,7 0,860 3,30 0,90 3,7 0,870 3,30,00 3,7 0,880 3,30,0 3,9 0,890 3,50,0 3,9 0,900 3,60,03 3,30 0,90 3,70,04 3,3 0,90 0,90,05 3,33 0,930-0,467,06 3,35 0,940-0,474,07 3,36 0,950-0,475,08 3,38 0,960-0,474,09-0,47 0,970-0,474,0-0,47 0,980-0,474, -0,47,000-0,474, -0,47,00-0,474,0-0,47,00-0,474,30-0,47,300-0,474,40-0,47,400-0,474,50-0,47,500-0,474,60-0,47,600-0,474 Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 6

7 Histereza dla prog=v 4,0 3,5 3,0,5 out [V],0,5,0 0,5 0,0 0,5-0,5 0,7 0,9,,3,5,7 -,0 p [V] Jak w poprzednim przypadku wyznaczono: Ostatecznie otrzymując = 70 H mv PH PL =, 09V = 0,9V Trzecia seria pomiarów była wykonana dla =, 5V prog [ ] P V OT[ V ] P[ V ] OT[ V],350 3,379,00 3,384,450 3,39,300 3,384,50 3,404,30 3,384,50 3,409,30 3,384,530 3,4,350 3,384,535 3,43,360 3,385,540 3,44,380 3,385,548 3,45,390 3,385,549 3,46,39 3,386,550 3,47,394 3,87,55 3,47,395 3,88,55 3,48,396 3,88,553 3,49,397-0,46,554 3,49,398-0,46,555 3,40,399-0,46,556 3,40,400-0,464,557-0,468,40-0,468,560-0,468,430-0,468,570-0,468,440-0,468,580-0,468,500-0,468,590-0,468,600-0,468 Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 7

8 Histereza dla prog=,5v 4,0 3,5 3,0,5 out [V],0,5,0 0,5 0,0, -0,5,,3,4,5,6,7 -,0 p [V] Znów powtarzając wcześniejsze kroki jesteśmy w stanie policzyć: PH PL H =,557V =,396V = 6mV Generator przebiegu prostokątnego. ezystory zależność: a więc: ' i '' (o których wspomniano we wstępie teoretycznym) powinny spełniać 3,,6,6 ( 6) = ' '' ',59 '' = 7,6 0 Można przyjąć dowolne wartości rezystorów tak, aby spełniały one powyższą zależność. W laboratorium przyjęto: ' = kω '' = 0kΩ Następnie założono, że =,8kΩ oraz, że częstotliwość f = MHz. Korzystając ze wzoru: ' '' T = Cln3,5 ' + '' wyznaczono wartość pojemności C = 3pF. Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 8

9 Do wykonania układu użyto kondensatora C = 0 pf. Stałą czasową układu można wyznaczyć korzystając z zależności: ' '' τ = C = 09μs ' + '' Zależności napięciowe na wyjściu i wejściu układy wyglądają następująco: N to wartość napięcia na wejściu odwracającym. Czas narastania i opadania zboczy sygnału prostokątnego to odpowiedni: tn = 3ns t = 8ns o WNIOSKI Wartość pętli histerezy, jaką otrzymano w doświadczeniu różni się od wartości teoretycznej około 0% mieści się więc w przedziale niepewności. óżnice pomiędzy wartością zmierzoną, a wyznaczoną z równań mogą wynikać z: - teoretyczne wartość rezystorów, jakie potrzebne były do doświadczenia nie były dostępne na pracowni, musiano użyć tych o rezystancji najbliższej teoretycznej; - szumy i zakłócenia w układzie mogły doprowadzić do szybszego przełączenia komparatora, niż wynikałoby to z teorii; Komparator Jacek Mostowicz, Jarosław Mróz 9