Ministerul Educaiei, Cercetrii i Inovrii

Ministerul Educaiei, Cercetrii i Inovrii

Liceul de Electrotehnic i Telecomunicaii

PROIECT DE CERTIFICARE A COMPETENELOR PROFESIONALE

TEMA LUCRRII

COMPARATOARE.COMPARATOARE SIMPLE (FR MEMORIE). COMPARATOARE CU HISTEREZIS (CU MEMORIE). APLICAIILiceu tehnologic ruta direct

Profil tehnic-Nivel 4An de absolvire 2015Elev:

DAN GEORGEClasa a XII-a Fndrumtor de proiect,

Prof. ing. FRSINEL RADUCUPRINSArgumentCapitolul I: ComparatoareI.1. Definiie..5Capitolul II: Convertoare simple (fr memorie)II.1. Noiuni generale.8Capitolul III: Comparatoare cu histerezis (cu memorie)..16Capitolul IV: Aplicaii ale comparatoarelor.21

Capitolul IV: Norme de tehnica securitii muncii22Concluzii.23Bibliografie.25ARGUMENT

n multe cazuri este necesar s se determine valorea relativ a dou mrimi, dac mrimile sunt binare determinarea se face cu ajutorul comparatorului digital.

Comparatoarele digitale sunt Circuite Logice Combinaionale (CLC) care permit determinarea valorii relative a dou numere binare (X i Y). Mrimile de intrare sunt cei n bii ai fiecruia dintre cele dou numere. Cele trei ieiri au rolul de a indica care dintre relaii este adevrat:

X = Y

X > Y

X < Y

Realizarea practic se face prin implementare unor funcii cu ajutorul porilor logice. Porile logice snt circuite combinaionale deoarece ieirile lor depind numai de combinaia valorilor de intrare Pentru a utilize un numr ct mai mic de pori funciile trebuie minimizate.

n multe cazuri trebuie meninut constant un anumit parametru electric n circuit, n acest caz avem nevoie de un comparator care s compare mrimea de la ieire cu o mrime de referin i diferena trebuie transmis amplificatorului de eroare i elementului de reglare.

Dac mrimile sunt analogice compararea se va face cu ajutorul circuitelor analogice, n prezenta lucrare am prezentat comparatoare de mrimi electrice analogice realizate cu ajutorul amplificatoarelor operaionale. Aceste comparatoare au avantaj fa de comparatoarele realizate cu componente discrete al unui pre redus i al unui volum ct mai mic.

Prin circuite neliniare se neleg circuitele care au, n funcia de transfer, o neliniaritate util n procesul de prelucrare a semnalului. Practic toate circuitele electronice prezint fenomene de neliniaritate, prin circuite liniare nelegnd acele circuite care sunt utilizate pe o poriune liniar a caracteristicii lor.

Operaiile neliniare efectuate asupra semnalelor analogice sunt necesare n instrumentaie, sisteme de control etc. Aceste operaii cuprind redresarea, modularea, demodularea, nmulirea, mprirea.ensiunea de ieire se poate modifica la nivelul dorit, existnd proporionalitate ntre semnalul de ieire i cel de intrare. Funcionarea AO n bucla de reacie este stabil, tensiunile de intrare individuale de pe intrri fiind forate s fie aproximativ egale.

Circuitele neliniare se caracterizez prin absena buclei de reacie pentru unele sau toate regiunile de funcionare sau chiar prezena reaciei pozitive. In aceste condiii, cele dou tensiuni individuale de intrare ale AO (de pe intrarea inversoare, respectiv neinversoare) pot avea valori complet diferite.

La unele circuite neliniare, pe unele poriuni ale domeniului de funcionare, se nchide o bucl de reacie negativ , caz n care tensiunile individuale de pe intrrile AO se pot considera egale, dar conin i regiuni de lucru n care bucla se desface i nu se mai poate menine condiia de egalitate a acestor tensiuni.

La alte circuite neliniare, pentru anumite condiii de funcionare, ieirea poate fi ntr-una din cele dou stri de saturaie (pozitiv sau negativ) i chiar dac circuitul conine reacie negativ, funcionarea lui se consider neliniar deoarece ieirea este saturat..

CAPITOLUL ICOMPARATOAREI.1. DEFINIIEComparatoarele analogice sunt circuite analogice a cror tensiune de ieire ia o valoare dup cum tensiunea de intrare este peste sau sub un nivel fixat de un element de referin. Numim tensiune de prag, VP, nivelul fixat de tensiune cu care se compar tensiunea de intrare. Prin comparatoare subnelegem deci comparatoare de tensiune.

Comparatoarele au numeroase aplicaii n diferite sisteme de automatizare, n convertoarele analog-digitale etc.

Circuitele analogice care realizeaz compararea se submpart tot n doua categorii:

comparatoare, la care semnalele de intrare comand comutarea semnalului de ieire ntre dou nivele mult diferite;

comparatoare analogice la care semnalele de intrare sunt transmise la ieire sau sunt oprite sa ajung la ieire n funcie de nivelul unui semnal de comand discontinuu.

A. Operatii executate de un comparator din punct de vedere matematicDin punct de vedere matematic un comparator executa dou operaii:

face diferena v-V dintre tensiunea de intrare vsi tensiunea de prag V;

asociaz fiecruia dintre cele dou semne posibile ale diferenei o alta valoare a tensiuni de ieire , i anume:

v - V > 0 V, (1)

v - V < 0 V.

B. Condiii pentru ca un amplificator s fie folosit drept comparator

Un comparator de tensiune poate fi privit ca un amplificator de tensiune folosit astfel nct s comute ntre cele dou regiuni pasive care ncadreaz, de o parte i de alta, regiunea lui activa (liniar ) de funcionare.

ntruna din regiunile pasive valoarea tensiuni de ieire este V n cealalt este V . Pentru ca un amplificator s permit utilizarea drept comparator, el trebuie s indeplineasc dou condiii principale:

s aib intrare diferential

s aiba o amplificare n tensiune foarte mare

Prima condiie face posibil comanda amplificatorului de ctre diferena v - V

A doua condiie limiteaz intervalul de valori ale tensiuni v, pentru care amplificatorul se afl n regiune activ, la dimensiuni neglijabil de mici fa de ntreg domeniu de variaie al tensiunii v (asigurnd prin aceasta, precizia comparaiei) .

Dup cum s-a vzut n cele dou condiii sunt ndeplinite de orice amplificator operational (AO) sau amplificator Nortoa (AN) , utilizat fie ca atare fie cu reacie.

II.1. CLASIFICAREA COMPARATOARELORClasificarea comparatoarelor se poate face dup diferite criterii . Astfel dac tensiunea de comparare v se aplic la intrarea neinversoare, comparatorul este neinversor, iar daca se aplic la intrarea inversoare, comparatorul este inversor .

- Comparatoare inversoare

Sunt comparatoare a cror tensiune de comparat v se aplic la intrarea inversoare . Iar i acest caz relaia (1) ia forma:

v > V v= V ,

v < V v= V.

Am notat cu V si V nivelul ridicat, respectiv nivelul sczut ale tensiunii de ieire. Dac tensiunea v crete, la trecerea prin valoarea V tensiunea de ieire este comutat de la valoarea ridicat la cea scazut n cazul comparatoarelor inversoare.

- Comparatoare neinversoare

Sunt comparatoare a cror tensiune de comparare v se aplic la intrarea neinversoare , comparatorul este neinversor . n acest caz relaia (1) ia forma :

v > V v = V,

v < V v = V.

Am notat cu V si V nivelul ridicat , respectiv nivelul sczut ale tensiunii de ieire Dac tensiunea v crete , la trecerea prin valoarea V tensiunea de ieire este comutat de la valoarea sczut la cea ridicat, n cazul comparatoarelor neinversoare .

- Cu intrare diferenial

Dac tensiunea de comparare v i tensiunea de referin V, care fixeaz valoarea de prag V, se aplica una la intrarea inversoare i alta la intrarea neinversoare, comparatorul se numte cu intrare diferenial.- Cu intrare sumatoare

Dac tensiunea de comparare v i tensiunea de referin V, care fixeaz valoarea de prag V, se aplic la o singur intrare, comparatorul se numete cu intrare sumatoare. n acest caz este nevoie de un artificiu pentru a face posibil compararea, i anume trebuie ca tensiunea V s fie de semn opus tensiunii V impuse .

- Alte comparatoare

Mai menionm c exist comparatoare :

fr reacie

cu reacie pozitiv, numite i cu histerezis, deoarece prezint un ciclu de histerezis.CAPITOLUL II

COMPARATOARE SIMPLE (FR MEMORIE)II.1. NOIUNI GENERALEn majoritatea cazurilor practice o tensiune variabil este comparat cu una fixa care constituie pragul (referin) comparatorului.

Daca tensiunea variabila este U1 spunem ca comparatorul este inversor, iar daca cea variabila este U2 spunem ca avem de a face cu un comparator neinversor.Caracteristica de transfer a comparatorului inversor se prezint in figura 8.93 a, iar cea a comparatorului neinversor in figura 8.93 b. Tensiunea de iesire a comparatorului poate avea dou valori distincte i anume:- Uemp - de regula pozitiva si asimilata nivelului logic superior

- Uemn - de regula negativa si asimilata nivelului logic inferior.

Caracteristica prezinta un tronson de trecere con-tinua intre cele dou nivele numit zona de indecizie. Limea acesteia, notata (Ui si data de relaia:

Dac una din tensiunile supuse comparrii (sau amndou) conin zgomote sau variatii ce ar trebui ignorate in procesul de comparare, exis-tenta zonei de indecizie este supratoare si generatoare de comutari (vibratii) nedorite ale iesirii, asa cum se observa din figura 8.91.

Acesta este principalul dezavantaj al comparatoarelor simple (fara rectie pozitiva).Avantajul esenial al lor este ns valoarea foarte mic a erorii de comparare. Pe langa valoarea laimii zonei de indecizie, (Ui aceasta mai conine ca i componente decalajul iniial de tensiune, deriva de tensiune, sem-nalul comun precum i cderile de tensiune pe rezistenele de la intrare (daca exista) determinate de decalajul iniial de curent.

Din punctul de vedere al comporarii dinamice, trebuie subliniat faptul ca comparatorul cu amplificator operational este lent (timpul de comutare este de ordinul zecilor de microse-cunde) din cauza saturarii iesirii. Deoarece lucreaz fr reacie negativ, nu este necesar corecia de frecven a amplificatorului operaional cu care este realizat comparatorul.

Un alt tip de comparator fr reacte este cel destinat comparrii valorilor absolute ale unor tensiuni de semne contrare. Schema unui asemenea comparator se prezint in figura 8.92.

A. Scheme de comparatoare cu AO (a) i AN (b)

Fig.1 a

Schema de baz a comparatorului AO (Fig.1 a) reprezint un comparator neinversor, cu intrare diferenial, far reacie, care coincide cu nsui amplificatorul operaional.

Comutarea are loc pentru v = : v

EMBED Equation.3 - V=0 , adic pentru v

EMBED Equation.3 = V , de unde rezult V= V . Caracteristica static de transfer a comparatorului coincide i ea cu caracteristica AO . Trecnd pe axa absciselor v

EMBED Equation.3 n loc de v i schimbnd scara de la zecimi de milivoli la voli , forma ei devine cea din figura 2.

Fig.2

Caracteristici statice de transfer a comparatorului din fig. 1 b

Schema de baz a comparatorului cu AN este aratat n fig 1 b . Ea difer de AO nsui prin faptul c are nseriat cu fiecare intrare cte o rezisten necesar pentru conversia tensiunilor n cureni. Din condiia de comutare a AN , i- i = 0 , i expresile curenilor rezult : V = R + G - V.

Fig. 1 b Schema de baz a comparatorului cu AN

Dac la intrarea comparatorului se aplic , de exemplu , o tensiune variabil ca cea din fig. 3 a , tensiunea de ieire variaz ca n fig. 3 b .

Fig. 3. Ilustrarea funcionrii comparatorului din fig 1,a : a tensiunea aplicat la intrare ; b tensiunea obinut la ieire .

n caz particular n care R = R, se obine V = V. Valorile rezistenelor se calculeaz din valorile tensiunilor v

EMBED Equation.3 si V aa nct curenii de intrare n AN s fie cuprini ntre 10 si 50 i s nu creasc n nici un caz peste 2 mA (valoarea limit absolut). Uzual ele sunt de ordinul a 1 M .

Spre deosebire de comparatorul cu AO , unde tensiunea de prag V poate avea orice semn, la comparatorul cu AN este necesar ca V >V = +0,6 V. Dac aceast condiie este ndeplinit, diagramele din figurile 2 i 3 b sunt valorile i pentru comparatorul cu AN, cu singura deosebire ca tensiunea V=0 .

Este totui posibil realizarea unui comparator cu AN pentru tensiunea V < +0,6 V, prin adugarea unui circuit de polarizare aa cum se arat cu linie ntrerupt n fig. 1 b .

Schema de baz a comparatorului cu AO (fig. 1 a) limiteaz domeniul valorilor admise pentru tensiunile v

EMBED Equation.3 si V la valorile limit absolut ale AO folosit. Dac trebuie comparate tensiuni mai mari, se poate folosi schema din fig. 4, care reprezint un comparator neinversor cu intrare sumatoare, far reacie .

Datorit diodelor, tensiunea aplicat la intrarea neinversoare a AO este limitat la .

Tensiunea de prag se calculeaz aici cu relaia:

V = - RGV

Aa cum am mai spus, tensiunea V trebuie sa fie de semn opus tensiunii V impuse. Ultima schem poate fi dezvoltat prin adugarea unor rezistoare suplimentare la intrare a neinversoare a AO. Comparatorul stabilete atunci dac suma ponderat a tuturor tensiunilor este mai mare sau mai mic dect zero.

Fig. 4. Comparator neinversor cu intrare sumatoare, far reacie, realizate cu AO.

B. Comparatoare cu fereastr realizat cu dou AO

Fig. 5 a

Putem combina dou comparatoare ntr-un singur circuit asa ca sa formeze un comparator dublu, numit comparator cu fereastr (fig. 5 a) .

El stabilete dac tensiunea de intrare se afl n interiorul sau i afara domeniului dintre cele dou tensiuni de prag (5 b).

Fig. 5 b

Dac se dorete ca tensiunea de ieire s fie nenula n interiorul ferestrei i nula n exteriorul ei, soluia este mai complicat, n rafara de cazul n care se dispune de un circuit integrat de tipul circuitului NE 521 al firmei Signetics .

Pna aici am prezentat idealizat proprietaile comparatoarelor descrise .

n particular am presupus tacit ca tensiunea de ieire comutat instantaneu de la valoarea ei joas la cea inalt (sau invers) n momentul n care tensiunea de intrare atinge valoarea de prag. n realitate viteza de variaie a tensiuni de ieire este proporional cu viteza de variaie a tensiuni de intrare, dar n nici un caz nu poate fi mai mare dect viteza de variaie (n limba engleza slew-rate, SR) pe care este capabil s o asigure AO.

De exemplu la AO comesate intern cu frecvena, de tipul 741, viteza de variaie este 0,5 V . Creterea de la 15 la +15 V dureaz deci 60. La aceasta se adaug timpul necesar reveniri AO din saturatie n regiunea activ. Datorit faptului ca AO sau AN folosite drept comparatoare lucreaz far reacie negaiv, compensarea cu frecvena nu este necesara i daca se foloseste un amplificator necompensat intern, se poate renuna la adaugarea n exterior a compensari. Viteza de comutaie crete atunci, de aproximativ 20 de ori faa de situaia de mai sus.

O alt neidealitate a comparatoarelor descrise const n nesigurana rspunsului la tensiuni lent variabile. Anume, dac tensiunea de intrare trece lent prin valoarea de prag si este nsoita de o tensiune de zgomot, apar salturi alternative la ieire (comutai aleatoare nedorite ntre cele dou nivele) .

Neajunsurile menionate sunt micorate foarte mult prin adugarea unei reaci pozitive, care mrete amplificarea circuitului (n regiunea liniar de functionare a amplificatorului) peste limita de stabilitate.

Se obine astfel un circuit basculant, ca urmare comutarea se face printrun proces de basculare, n avalan, adic un proces care, odat declanat, continu chiar dac nceteaz aciunea cauzei declanatoare. Concret, adugarea reaciei pozitive are urmtoarele dou consecine pozitive:

1. viteza de variaie a tensiuni de ieire este mare, fiind independena de viteza de variaie a tensiuni de intrare si egal cu viteza permis de AO ;

2. rspunsul devine sigur n orce condii, deoarece comutrile n cele dou sensuri se fac la valori de prag diferite (ntre care exist o zona moart, numit tensiune de histerezis) .

CAPITOLUL IIICOMPARATOARE CU HISTEREZIS (CU MEMORIE)

Pentru a elimina dezavantajul mentionat al comparatoarelor simple, se realizeaz comparatoare cu reacie pozitiv aa cum se observa n exemplul din figura 8.93.

Aceasta prezint un comparator pentru tensiuni de acelai semn.

Caracteristica sa de transfer se prezint n figura 8.94.

Eroarea de comparare definit conform relaiei 8.208 este mai mare decat n cazul comparatoarelor fr reacie.Avantajul catigat este cel al eliminrii vibraiilor. Proiectantul unui circuit in care se implementeaza si o functie de comparare urmeaza sa decida asupra alegerii unui compa-rator simplu sau a unuia cu reactie pozitiva in funcie de cazul concret considerat. Ca i n cazul comparatorului simplu, i n cazul celui cu reacie pozitiv vorbim despre comparator inversor sau neinversor dupa cum tensiunea variabila este U1 (aplicata intrrii inversoare) respectiv U2 (aplicata intrrii neinversoare).

n primul caz caracteristica de transfer al comparatorului este cea din figura 8.97, pentru cazul n care tensiunea de prag (refe-rinta) - U2 este pozi-tiva. Pentru descrierea analitic a funcionarii trebuie considerat o stare iniial conform careia tensiunea U1 este mult mai mica decat valoarea de prag U2 (punctul A de pe caracteristica). Conform acestei situaii tensiunea de ieire a comparatorului este pozi-tiva si are valoarea: 8.201Schema de calcul ce caracterizeaza funcionarea circuitului se prezint n figura 8.95. Conform acesteia tensiunea aplicat intrrii inversoare are expresia:

Atata vreme ct U1 este mai mica decat aceasta tensiune, comparatorul ramane in starea mentionata. Daca U1 crete peste aceasta valoare, intrarea inversoare devine mai pozitiva decat cea neinversoare si se produce comutarea tensiunii de iesire care devine: 8.203Tensiunea la care s-a produs comutarea, data de relaia 8.202, poate fi exprimat i sub forma:

care pune in evdenta faptul ca comutarea mentionata se produce la o tensiune U1 mai mare decat U2.Daca tensiunea variabila creste in con-tinuare, tensiunea de iesire isi pastreaza valoarea corespunzatoare relatiei 8.203.Din acest moment schema de calcul aferenta funcionrii comparatorului este cea din figura 8.95 b. De aceasta dat intrarii neinversoare i se aplic tensiunea:

Cand U1 atinge aceasta valoare, corespunztoare punctului D se produce comutarea tensi-unii de iesire la valoarea data de relatia:

Tensiunea U1 la care se produce comutarea, data de relaia 8.205 poate fi scris i sub forma:

Eroarea de comparare n cazul comparatoarelor cu reacie pozitiva se definete conform relaiei: 8.208unde: 8.209Latimea zonei de histereza, data de relaia: 8.210

trebuie corelat cu specificul aplicatiei pentru a rejecta zgomotele suprapuse care ar putea afecta catastrofal rezultatul comparrii.

Ea trebuie sa respecte relatia:

Comparatorul cu histerezis are o caracteristic de transfer neliniar cu memorie. Astfel de caracteristici se obin cu ajutorul amplificatoarelor cu reacie pozitiv.

Figura 1. Comparator cu histerezis cu inversare

Funcie de borna de intrare la care se aplic semnalul, se pot obine dou tipuri de comparatoare: comparatorul cu histerezis fr inversare; comparatorul cu histerezis cu inversare.

Comparatorul cu histerezis cu inversare se obine dac tensiunea de intrare se aplic la intrarea inversoare a amplificatorului de baz, iar o fraciune din tensiunea de ieire se aplic la intrarea neinversoare.

Tensiunea de intrare diferenial Ud=U+ U este o funcie liniar de tensiunea de intrare Ui i de tensiunea de ieire Uo, aspect ce poate fi dedus i din teorema de tensiuni a lui Kirchhoff scris pentru ochiul de intrare. n planul caracteristicii de transfer a comparatorului de baz (Uo,Ud), se obine ecuaia unei drepte (D).

Figura 2. Determinarea punctului de funcionare pe caracteristica de transfer a amplificatorului

Are loc un proces cumulativ avnd ca rezultat deplasarea punctului de funcionare din punctul A n punctul B.

Durata tranziiilor la ieire este determinat numai de parametrii comparatorului i nu depinde de viteza de variaie a tensiunii de intrare Ui. Comparatorul cu histerezis realizat cu un amplificator diferenial este denumit si circuit basculant (trigger) Schmitt. Un astfel de circuit se utilizeaz la obinerea de impulsuri dreptunghiulare din semnale sinusoidale, n general ca formator de semnale dreptunghiulare.

Figura 3. Formele de und la intrare i ieirea comparatorului cu histerezis cu inversare, utilizat ca formator de impulsuri dreptunghiulare din semnale sinusoidale

Figura 2.1. Comparator cu histerezis cu inversare

CAPITOLUL IV

APLICAII ALE COMPARATOARELOR

Cu toat diversitatea extraordinar a aplicaiilor comparatoarelor, ele pot fi grupate n dou clase principale: aplicaii n care sunt folosite drept comparatoare i aplicaii n care sunt folosite ca AO. Primele corespund destinaiei comparatoarelor i le vom exemplifica n continuare. Celelalte sunt posibile datorit faptului c, n esen, proprietile de amplificator de tensiune ale unui comparator sunt asemntoare cu ale AO .

In figurile 11 sunt artate dou particularizri ale schemei de baz a comparatorului neinversor , cu intrare diferenial , far reacie pozitiv , din figura 11 a, corespunztoare utilizrii unuia dintre cele 4 comparatoare dintr-un circuit cuadruplu 339 .

Particularitatea fundamental a utilizrii oricrui comparator avnd tranzistorul de ieire un colector n gol const n obligativitatea conectrii unei rezistente de sarcina R pentru acest tranzistor ntre ieirea circuitului i un punct care se afl la un potenial pozitiv fa de potenialul ieirii .

Particularizri ale schemei de baz de comparator neinversor , cu intrare diferenial , far reacie pozitiv , din fig. 11 a 339 ; a- cu o surs de alimentare i V >0 ; b- cu dou surse de alimentare i V