COMPARATOARE DE TENSIUNE CU AO

COMPARATOARE DE TENSIUNE CU AO

I. OBIECTIVE

a)     Determinarea caracteristicilor statice de transfer in tensiune pentru comparatoare cu AO fara reactie si cu RP.

b)     Determinarea tensiunilor de iesire in functie de configuratia circuitelor si de tensiunile de intrare.

c)     Determinarea efectelor modificarii tensiunilor de alimentare si de referinta, si a valorii rezistentelor de reactie, asupra caracteristicilor statice de transfer in tensiune ale comparatoarelor.

d)     Deducerea efectului zgomotului suprapus peste tensiunea de intrare asupra comutarilor comparatoarelor

II. COMPONENTE SI APARATURA

Se foloseste montajul experimental echipat cu doua amplificatoare operationale de tip 741 (avand configuratia si semnificatia terminalelor explicitata in Fig. 10.1.), un potentiometru de 10KW, rezistente de diferite valori si un condensator de 10nF. Pentru alimentarea montajului folosim o sursa dubla de tesiune continua stabilizata, reglabila, iar ca sursa de semnal sinusoidal, un generator de semnale (versatester). Pentru vizualizarea tensiunilor avem nevoie de un osciloscop catodic cu doua canale iar pentru masurarea unor tensiuni continue de un voltmetru de c.c.

NC - neconectat

NUL - compensare offset

IN- -intrare inversoare

IN+ - intrare neinversoare

V^-  -tensiunea de alimentare negativa

V⁺  -tensiunea de alimentare pozitiva

OUT -iesire

Fig. 10.1. Configuratia si semnificatia terminalelor AO 741

III. SUPORT TEORETIC

Experimentele se bazeaza in principal pe sectiunea 'Circuite de comutare cu AO' din cursul de Dispozitive si circuite electrice. Numai bune de consultat sunt si lucrarile:

Miron, C., Bazele circuitelor electronice, Note de curs, Cap. 4. Circuite de comutare cu amplificatoare operationale, Lito UT Cluj-Napoca, 1994, pag. 3-6, 10-13.

Miron, C., Introducere in circuite electronice, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1983, pag.197-200, 290-293.

IV. EXERCITII PREGATITOARE

P1. AO fara reactie

Ce valoare poate lua v_O pentru schema din Fig. 10.2, in situatiile:

- ambele intrari in gol

- o intrare in gol si una la masa

- ambele intrari la masa

Sa nu uitam ca amplificarea proprie AO este foarte mare; la AO de tip 741

P2. Comparatoare cu AO fara reactie

P2.1. Comparator inversor

In continuare ne referim la circuitul din Fig. 10.3. cu V⁺=12V, V^- = -12V.

A. Cronograme

Cum arata v_O(t) daca v_I(t) este tensiune sinusoidala cu aplitudinea de 5V si frecventa 200Hz, pentruV_REF=0V? Dar pentru V_REF=4V?

Ce valoare are tensiunea de prag V_P (valoarea v_I la care au loc comutarile comparatorului)?

Cum arata v_O(t) daca aplitudinea v_I devine 1V, celelalte valori ramanind ca mai sus?

B. CSTV

Cum arata CSTV v_O(v_I) pentru V_REF=0V?

Cum se modifica CSTV daca V_REF devine 4V? Dar -4V?

C. Efectele modificarii V_Al

Cum arata v_O(t) pentru v_I sinus cu amplitudinea de 8V si frecventa de 200Hz, V_REF =0V, daca V⁺=+9V, V^- = -9V? Dar daca V⁺=+15V, V^- = -9V?

P2.2. Comparator inversor in prezenta zgomotului

Dorim sa studiem efectul zgomotului suprapus peste tensiunea utila asupra comutarilor comparatorului fara reactie. Pentru aceasta, in Fig. 10.4 semnalul de intrare in comparator (v_I) se obtine prin insumarea tensiunii utile de forma sinusoidala (v_s), de amplitudine 10V si frecventa 200Hz cu un semnal aproape triungiular v_zg (considerat zgomot) de amplitudine 2,2V si frecventa 2,7KHz. Insumarea se face cu ajutorul rezistentelor R₁ si R₂. Tensiunea de zgomot este generata de circuitul basculant astabil incadrat cu linie punctata.

Desenati cronogramele v_s, v_zg si v_I.

Considerand tensiunea de prag a comparatorului de 4V cum arata v_O(t) ?

P2.3. Comparator neinversor

Desenati schema unui comparator de tensiune neinversor, cu posibilitatea reglarii V_P intre V⁺ si V^-.

Cum arata CSTV pentru comparatorul neiversor cu V_P=0V ?

P3. Comparatoare cu AO cu reactie pozitiva

P3.1. Comparator inversor cu RP

In continuare ne vom referi la schema din Fig. 10.5.

Ce relatie exista intre v_I, v_O si V_REF ?

Care sunt expresiile pentru tensiunile de prag V_PL si V_PH ?

Ce valoari au V_PL si V_PH pentru V_REF=0V, V⁺=12V si V^- = -12V?

Care este CSTV v_O(t). Marcati sensul de parcurgere al histerezisului.

Cum arata v_O(t) pentru [V], [Hz], in conditiile de mai sus? Dar daca amplitudinea v_I este de 1V ?

Care sunt efectele modificarii tensiunii de alimentare asupra CSTV ?

Care sunt efectele modificarii V_REF asupra CSTV ?

Care sunt efectele modificarii rezistentei R asupra CSTV ?

P3.2. Comparator inversor cu RP in prezenta zgomotului

Pentru obtinerea unui semnal zgomotos (vezi Fig. 10.6 ), se foloseste acelasi circuit ca la sectiunea 2.2.

Care sunt tensiunile de prag ale comparatorului cu RP, avand tensiunea de intrare v_I din Fig. 10.6. ?

Tensiunile v_s, v_zg si v_I au aceleasi variatii in timp cu cele de la P2.2. Cum arata v_O(t) ?

P3.3. Comparator neinversor cu RP

Pentru schema din Fig. 10.7 se cunosc: V⁺=12V, V^- = -12V, V_REF=0V.

Care este CSTV pentru comparatorul neinversor cu RP?

Cum arata v_O(t) pentru v_I(t) tensiune sinusoidala cu amplitudinea de 3V si frecventa de 200Hz ? Dar daca v_I are amplitudinea 8V ?

V. EXPERIMENTARE

E1. AO fara reactie

Se construieste schema din Fig. 10.2.

Montajul se alimentaza diferential cu V⁺=+12V, V^- = -12V de la sursa dubla de tensiune continua stabilizata.

Cu voltmetrul de c.c. se masoara v_O in situatiile:

-ambele intrari in gol

-o intrare in gol si una la masa

-ambele intrari la masa

E2. Comparatoare cu AO fara reactie

E2.1. Comparator inversor

Se construieste schema din Fig. 10.3.

Montajul se alimentaza diferential cu V⁺=+12V, V^- = -12V de la sursa dubla de tensiune continua stabilizata.

[V], [Hz] de la versatester.

Din P se regleaza valoarea tensiunii de referinta V_REF, care se masoara cu un voltmetru de c.c.

A. Cronograme

Cu osciloscopul calibrat se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t) pentru V_REF=0V si pentru V_REF=4V.

Se modifica amplitudinea v_I la 2V.

Se vizualizeaza v_O(t) si v_I(t) cu V_REF=4V.

Pentru amplitudinea v_I de 8V si V_REF= -4V se vizualizeaza v_O(t) si v_I(t).

B. CSTV

Se fixeaza [V], [Hz] si V_REF=0V.

Cu osciloscopul calibrat in modul de lucru Y-X se vizualizeaza CSTV v_O(v_I), aplicand celor doua intari X si Y ale osciloscopului , tensiunile v_I(t), respectiv v_O(t).

Se vizualizeaza CSTV si pentru V_REF=4V, v_I(t) ramanand aceeasi.

Se vizualizeaza CSTV si pentru V_REF= -4V, v_I(t) ramanand aceeasi.

C. Efectele modificarii V_Al

Se alimenteaza montajul cu tensiunea diferentiala V⁺=+9V, V^- = -9V.

[V], [Hz] de la versatester.

V_REF=0V, prin actionarea P.

Cu osciloscopul in modul de lucru Y-t se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t)

Se modifica tensiunile de alimentare astfel: V⁺=+15V, V^- = -9V.

Se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t).

E2.2. Comparator inversor in prezenta zgomotului

Se construieste schema din Fig. 10.4.

Se alimenteaza circuitul la V⁺=+12V, V^- = -12V.

Din P se regleza V_REF =V_P=4V. (masurata cu un voltmetru de c.c.).

Se calibreza osciloscopul, in modul de lucru Y-t si se trece comutatorul de sincronizare (TRIGGER) pe pozitia EXT, pentru sincronizare cu semnal din exterior.(vezi si paragraful T4. din Lucrarea nr.1)

La mufa BNC de aplicare a semnalului extern de sincronizare se aplica tensiunea v_s.

Se vizualizeaza simultan v_zg si v_I, actionand din butoanele de sincronizare pentru obtinerea unei imagini cat mai stabile pe ecranul osciloscopului.

Se repeta vizualizarea si pentru tensiunile v_I si v_O.

E2.3. Comparator neinversor

Se construieste schema desenata de voi la P1.3.

[V], [Hz] de la versatester.

Din P se regleaza valoarea tensiunii de referinta V_REF, care se masoara cu un voltmetru de c.c.

Se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t) pentru V_REF=0V.

Se vizualizeaza CSTV v_O(v_I) pentru V_REF=0V.

In continuare se realizeaza aceleasi experimente ca in sectiunea E1.2.

E3. Comparatoare cu AO cu reactie pozitiva

E3.1. Comparator inversor cu RP

Se construieste schema din Fig. 10.5.

V⁺=+12V, V^- = -12V de la sursa dubla de tensiune continua stabilizata

V_REF se masoara cu un voltmetru de c.c. si se regleaza din P la V_REF=0V.

[V], [Hz] de la generatorul de semnale.

Se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t) cu osciloscopul calibrat, in modul de lucru Y-t.

Se vizualizeaza CSTV v_O(v_I) cu osciloscopul in modul de lucru Y-X, pe intrarile X si Y ale osciloscopului aplicand tensiunile v_I, respectiv v_O.

Se modifica amplitudinea tensiunii v_I la 1V.

Se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t) cu osciloscopul calibrat in modul de lucru Y-t.

A. Efectele modificarii V_Al

Se modifica tensiunile de alimentare la V⁺=+9V ; V^- = -9V.

La fel ca mai sus se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t), apoi CSTV v_O(v_I), pentru V_REF=0V si amplitudinea v_I de 8V.

Se modifica din nou alimentarea V⁺=+15V ; V^- = -9V.

Se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t) si CSTV.

B. Efectele modificarii V_REF

Se readuce alimentarea circuitului la V⁺=+12V ; V^- = -12V.

Se actioneaza P pana cand V_REF=3V

Se vizualizeaza cu osciloscopul v_I(t) si v_O(t), apoi v_O(v_I).

Se vizualizeaza cu osciloscopul v_I(t) si v_O(t), apoi v_O(v_I) si pentru V_REF= -3V.

C. Efectele modificarii R

Rezistenta R=10K din circuitul reprezentat in Fig. 10.5 se inlocuieste cu R=5,1K.

V⁺=+12V , V^- = -12V, V_REF=0V, [V], [Hz].

Se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t), apoi CSTV v_O(v_I).

E3.2. Comparator inversor cu RP in prezenta zgomotului

Se construieste circuitul din Fig. 10.6.

Se alimenteaza circuitul la V⁺=+12V , V^- =-12V.

Osciloscopul se regleaza si se foloseste la fel ca la E2.2.

Se vizualuzeaza simultan v_I si v_O, sincronizarea osciloscopului facandu-se cu semnal extern v_s (vezi E2.2.).

E3.3. Comparator neinversor cu RP

Se construieste schema din Fig. 10.7.

Se alimenteaza montajul cu tensiunea diferentiala: V⁺=+12V , V^- = -12V.

Se pune V_REF=0V prin legarea intrarii inversoare la masa.

v_I este tensiunea sinusoidala cu amplitudinea de 8V si frecventa de 200Hz de la generatorul de semnale.

Cu osciloscopul calibrat se vizualizeaza v_I(t) si v_O(t), apoi CSTV v_O(v_I).

VI. REZULTATE

R1. AO fara reactie

v_O in cele trei situatii de la E1.1.

Cum explicati faptul ca v_O in toate cazurile de mai sus ?

R2. Comparatoare cu AO fara reactie

R2.1. Comparator inversor

A. Cronograme

v_I(t) si v_O(t) pentru amplitudinea v_I de 5V, V_REF=0V, respectiv V_REF=4V.

Ce valori are tensiunea de prag V_P a comparatorului in cele doua situatii de mai sus? V_P se deduce de pe cronogramele v_I si v_O astfel: se determina valorile instantanee ale v_I la momentele de timp la care au loc comutarile comparatorului.

In ce relatie se afla V_P si V_REF?

v_O(t) pentru amplitudinea v_I=1V, V_REF=4V.

De ce v_O(t) nu mai este tensiune dreptunghiulara ?

V_P=?

B. CSTV

CSTV pentru V_REF=0V, 4V, -4V.

Dupa care axa a sistemului de coordonate v_I-v_O se deplaseaza CSTV daca se modifica V_REF? De ce ?

C. Efectele modificarii V_Al

v_I(t) si v_O(t) pentru V⁺=+9V , V^- = -9V, respectiv V⁺=+15V , V^- = -9V.

Care este efectul modificarii tensiunii de alimentare asupra V_P.

Cum se modifica valorile maxima V_OH si minima V_OL a tensiunii de iesire a comparatorului daca se modifica tensiunile de alimentare? Comparati si cu valorile V_OH, V_OL obtinute la punctele A si B.

R2.2. Comparator inversor in prezenta zgomotului

v_zg(t) si v_I(t)

v_I(t) si v_O(t)

Comparati forma v_O(t) cu forma v_O(t) obtinuta la R2.1., A, pentru V_REF=4V.Ce deosebiri apar? Din ce cauza apar aceste deosebiri?

R2.3. Comparator neinversor

v_I(t) si v_O(t)

CSTV

Prin ce se deosebeste CSTV de cea obtinuta la sectiunea 1.2.?

Prezentarea rezultatelor este similara cu cea de de la R1.2.

R3. Comparatoare cu AO cu reactie pozitiva

R3.1. Comparator inversor cu RP

v_I(t) si v_O(t) pentru amplitudinea v_I de 8V si de 1V.

CSTV, v_O(v_I) cand v_I are amplitudinea de 8V.

Care sunt valorile tensiunilor de prag V_PH si V_PL si a tensiunilor de iesire V_OH si V_OL.

Care este latimea histerezisului V =V_PH-V_PL?

A. Efectele modificarii V_Al

v_I(t), v_O(t), v_O(v_I) pentru V⁺=+9V , V^- = -9V, respectiv V⁺=+15V , V^- = -9V.

Care este efectul modificarii tensiunilor de alimentare asupra tensiunilor de prag? Comparati cu situatia anterioara de la comparatorul fara reactie (R2.1.,C.)

Latimea histerezisului este afectata de modificarea tensiunii de alimentare? De ce?

Ce relatii exista intre V_OH si V⁺? Dar intre V_OL si V^-?

B. Efectele modificarii V_REF

v_I(t), v_O(t), v_O(v_I) pentru V_REF=4V si pentru V_REF= -4V

Care sunt valorile tensiunilor de prag V_PL si V_PH? Depind aceste valori de V_REF?

S-a modificat latimea histerezisului fata de situatia cu aceleasi tensiuni de alimentare si V_REF=0V?

Modificarea V_REF duce la translatarea histerezisului dupa axa .

C. Efectele modificarii R

v_I(t), v_O(t), v_O(v_I) pentru R=5,1KW

Ce valori au V_PH , V_PL , V_OH si V_OL. Comparati cu cele obtinute la inceputul paragrafului 3.1. pentru R=10KW

R3.2. Comparator inversor cu RP in prezenta zgomotului

v_I(t), v_O(t)

Comparati forma de variatie in timp a tensiunii v_O cu cea obtinuta la R3.1. In ce fel tensiunea de iesire este influentata de existenta zgomotului suprapus peste tensiunea sursei?

Comparati forma de variatie in timp a tensiunii v_O cu cea obtinuta la R2.2. Cum explicati faptul ca intoducerea RP duce la eliminarea comutarilor nedorite, datorate tensiunii de zgomot?

R3.3. Comparator neinversor cu RP

v_I(t), v_O(t)

CSTV

Comparati CSTV cu cea obtinuta pentru comparatorul inversor cu RP, pentru aceleasi valori ale tensiunilor de alimentare si de referinta, (paragraful R3.1.) din punct de vedere al valorilor tensiunilor de iesire, tensiunilor de prag, sensului de parcurgere al histerezisului.

De ce spunem ca acest comparator este neinversor?

Este o reala placere sa lucrezi cu comparatoare de tensiune cu AO, nu-i asa? Daca impartasiti acceasi parere, transmiteti-le-o tuturor prietenilor si cunoscutilor, iar daca nu . . . pastrati o tacere ingaduitoare.