Источники ошибок

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПАРАТОРОВ

В АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВАХ

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Схемотехника аналого-цифровых устройств»

для студентов факультета

«Информатика и вычислительная техника»

Ижевск

Издательство ИжГТУ

УДК 621.382.8.037.33

Составители: В.А. Куликов, д-р техн. наук, проф.

В.Н. Сяктерев, канд. техн. наук, доц.

В.В. Сяктерева, инженер.

Рецензент: В.В. Хворенков, д-р техн. наук, проф.

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (протокол № 60 от 11 апреля 2008г.).

Применение компараторов в аналого-цифровых устройствах: метод. указания к лабораторной работе по курсу «Схемотехника аналого-цифровых устройств» для студентов направления 230100 и специальности 090105 / сост. В.А. Куликов, В.Н. Сяктерев, В.В. Сяктерева. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – 32с.

Методические указания содержат сведения о применении компараторов в наиболее распространенных устройствах аналоговой техники. Приводится описание лабораторного макета, порядок подготовки и выполнения лабораторной работы с использованием стандартного комплекта измерительных приборов и программно-аппаратного комплекса на базе универсального набора приборов NI ELVIS.

Для самостоятельной работы студентов приведены контрольные вопросы. Теоретические сведения, приведенные в методических указаниях, могут быть полезны при выполнении курсовых работ, магистерских диссертаций и дипломном проектировании.

В.А. Куликов, В.Н. Сяктерев,

В.В. Сяктерева, составление, 2008

Ижевский государственный

технический университет, 2008

КОМПАРАТОР. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

ИСТОЧНИКИ ОШИБОК

Компаратор (сравнивающее устройство) представляет собой логическое устройство, предназначенное для сравнивания аналоговых сигналов. При этом один из сигналов называют опорным (), а другой – измеряемым или входным (). В момент равенства сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется.

Логические функции, реализуемые компаратором, имеют вид

(1)

(2)

где и – формируемые компаратором выходные уровни напряжений, соответствующие логическим уровням напряжений нуля и единицы цифровых цепей.

Коэффициент усиления компаратора без обратной связи имеет значение на низких частотах () в пределах от 3000 до 100000 ед. Поэтому изменение входного напряжения, необходимое для переключения компаратора из одного состояния в другое, очень мало и, как правило, составляет от 0,1 до 5 мВ. Вследствие малого входного напряжения переключения выходное напряжение компаратора почти все время соответствует уровню насыщения: либо , либо . Таким образом, компаратор можно представить как одноразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Во многих случаях компаратор может быть реализован на основе операционного усилителя (ОУ). ОУ имеет два входа, на которые могут подаваться сравниваемые сигналы, и достаточно большой коэффициент усиления. Но поскольку ОУ предназначен в основном для работы с отрицательной обратной связью, при проектировании его частотная характеристика ограничивается, чтобы обеспечить определенный запас устойчивости. Это приводит к уменьшению скорости нарастания выходного напряжения, а также к увеличению времени установления. Кроме того, уровни напряжений насыщения на выходе ОУ не совпадают с уровнями напряжений логических переменных цифровых интегральных схем, что требует подключения к выходу элементов согласования уровней. Поэтому на базе ОУ разработаны специальные схемы интегральных компараторов, учитывающие данные недостатки.

По существу интегральный компаратор представляет собой специализированный ОУ, входные цепи которого так же, как у ОУ, работают в линейном режиме, а выходные цепи содержат ключевые каскады, как у логических элементов.

Идеальная статическая характеристика преобразования компаратора, соответствующая функции (1), показана на рис. 1 сплошными линиями.

Компаратор вырабатывает сигнал , если разность напряжений положительна или равна нулю, и сигнал , если разность отрицательна. Для второй логической функции характеристика идеального компаратора имеет обратный вид, так как _. Порог срабатывания идеального компаратора равен .

В реальном компараторе сравнение происходит с ошибкой, так как под воздействием различных факторов порог срабатывания смещается на некоторое значение и составляет

. (3)

Возникновение ошибки обусловлено действием ряда факторов, из которых одни являются причиной образования систематических составляющих, а другие – случайных.

К первой группе факторов можно отнести неидеальности интегрального компаратора и пассивных элементов его схемы. Важнейшим из них является конечность коэффициента усиления (), приводящая к ограничению крутизны статической характеристики в области перехода из одного состояния в другое (рис. 2). В результате порог срабатывания компаратора определяется как

. (4)

Основными факторами, обусловливающими случайную составляющую ошибки, являются дрейф нуля и шумы схемы. Оба фактора имеют близкую природу возникновения и отличаются своими спектрами.

Под дрейфом понимается медленное смещение статической характеристики вдоль оси , например из-за изменения температуры. Шумы связываются со смещением характеристики, вызванным флуктуациями параметров элементов схемы. Дрейф сдвигает характеристику на , а наличие шумов делает момент срабатывания компаратора неопределенным в пределах зоны (см. рис. 1).

Динамические свойства компаратора характеризуются такими параметрами, как время установления () и время восстановления (). Под понимают время, в течение которого выходное напряжение компаратора при воздействии входного напряжения ступенчатой формы изменяется от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения. Параметр определяется как время с момента снятия входного напряжения до момента установления выходного напряжения до уровня 0,1 от максимального значения компаратора в режиме насыщения.

Из определения следует, что минимальное время между очередными сравнениями компаратора с двумя одноименными переключениями складывается из и . Поэтому максимально возможная частота сравнений определяется как

. (5)

Рассмотрим принципы действия основных схем компараторов на основе ОУ и основные источники составляющих систематических ошибок. Приведенный далее анализ и принцип работы схем справедливы и для схем на интегральных компараторах.

Дата добавления: 2015-07-08