Электрический расчёт (Расчёт для Бужан И.)

Устройство сравнения модуля МФДО обеспечивает преобразование выходного напряжения датчика магнитно-электрической системы в дискретный сигнал, он выполнен на операционном усилителе, включенном по схеме компаратора.

Схема с компаратором напряжений на основе микросхемы компаратора является эффективным решением многих задач сравнения напряжений и сопряжения аналоговых и цифровых сигналов.

Очень часто схема компаратора должна обеспечивать гистерезис с заданными в разрабатываемой схеме порогами включения (верхний порог срабатывания) U_вто и нижней точки опрокидывания U_нто (нижний порог сра­батывания) и полосой гистерезиса. Среди компараторов имеются образцы со встроенным гистерезисом, однако величина встроенного гистерезиса фиксирована и часто не удовлетворяет требованиям схемы.

Компараторы представляют собой ОУ специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Любой операционный усилитель может быть использован в качестве компаратора, однако специально спроектированные компараторы удобнее для применения.

Поскольку компараторы используются не как линейные уси­лители, а как ключевые устройства, в них может успешно приме­няться положительная обратная связь, чтобы увеличить коэффи­циент усиления и получить некоторый гистерезис в переходной характеристике Увеличение коэффициента усиления при­водит к тому, что амплитуда входного напряжения, необходимого для переключения компаратора, сокращается до очень малой ве­личины. В ряде случаев наличие петли гистерезиса необходимо для исключения неопределенности момента переключения компара­тора, т. е. предотвращения «дребезга». Если ширина петли гистерезиса превышает пико­вые флуктуации входного напряжения, то момент переключения компаратора будет строго определенный, без «дребезга».

Использование положительной обратной связи для получе­ния петли гистерезиса и увеличения коэффициента усиления с обратной связью особенно полезно, когда изменение входного на­пряжения происходит очень медленно вблизи уровня опорного напряжения. Если компаратор является частью большой системы управления с
обратной связью, то при отсутствии петли гистере­зиса могут возникать еще и осложнения, связанные с колебатель­ным характером выходного напряжения.

Рисунок 2.1 – Компаратор с гистерезисом

Введение гистерезиса в работу компаратора хотя и снижает точность, но делает его невосприимчивым к шумам. Гистерезис достигается включением более высокого опорного напряжения, когда U_вх изменяется от низкого к высокому уровню по срав­нению со значением U_оп, используемым, когда U_вх изменяется от высокого к низкому уровню. Высокое значение опорного на­пряжения называется напряжением верхней точки опрокидыва­ния (верхний порог срабатывания) Uвто, а низкое — напряже­нием нижней точки опрокидывания Uнто (нижний порог сра­батывания).

Рисунок 2.2 – Изменение входного и выходного напряжения во времени

Напряжение верхней точки опрокидывания при этом равно

U_вто = [R₂ / (R1+R2)]( + U_нас ),

где: U_нас == (+U_вых) макс компаратора обычно на 1 В меньше, чем U_вых. Когда U_вх > U_вто, то выходное напряжение становится отрицательным и стремится к -U_нас, т. е. к максималь­ному отрицательному выходному напряжению компаратора.

Отрицательное выходное напряжение вызывает падение напря­жения на неинвертирующем входе до напряжения нижней точки опрокидывания

U_нто = [R₂ / (R1+R2)] ( - U_нас )

Как показано на рисунке 2.2 компаратор не изменит своего состояния, пока U_вх < U_нто. Благодаря гистерезису небольшие шумы во входном сигнале не вызовут изменения состояния компаратора. В случае, когда входной сигнал триггера Шмитта имеет синусоидальную форму рассматриваемая схема преобразовывает его в прямоугольную.

Т.к. компаратор является основной частью формирователя импульсов датчиков похода осей модуля МФДО, поэтому рассчитаем компоненты для схемы триггера Шмитта, приведенной на Рисунке 2.1:

Пусть гистерезис составляет 2В,

+ U = +15В, - U = -15В

+U_нас = +14 В , -U_нас = -14 В

Так как гистерезис задан равным 2 В, то для данной схемы получаем

U_вто = U_нто и следовательно U_вто = 1 В, а U_нто = 1 В.

Пусть I _R1 = I _R2 = 0,1 мА;

Током смещения можно пренебречь, так как I _R1 >> I _см

В ре­зультате получаем

R1 = (|U_нас|- U_вто)/ I _R1 = (14В - 1В) / 0,1 мА = 130 кОм