Расчет триггера шмитта на оу

Немного аналога [Расчет триггера шмитта на ОУ] — DRIVE2

Приветствую гостей и постояльцев моего блога, добавим немного аналога в цифровые будни, в этот раз поведаю о такой занятной вещи, как триггер шмитта.

Для тех, кто не знает, что такое операционный усилитель, транзистор и электрон — этот пост будет абсолютно бесполезен, но таких, к счастью, меньшинство))

Маленькое предисловие

Появилось у меня свободное время в коем-то веке, решил порадовать самое дорогое и горячё любимое, что у меня есть — это задница пятая точка))) А конкретно — собрать устройство, которое автоматически включало-бы и поддерживала заданную температуру обогрева сидений.

Разработано 2 варианта: цифровой на Attiny13, который видится в качестве коммерческого проекта и аналоговый на операционнике, который будет доступен к повторению, но вот функционал чуть-чуть похуже. Устройства будут полностью автономные, не требующие включения, отключения и регулировки и подходящие на любую модель подогревов.

Пока машину не поставил на колеса, нет возможности испытать платы в действии, но об этом в следующих выпусках блога.

Ближе к делу

Ну и при создании аналоговой версии понадобилась мне такая штука, как триггер шмитта на операционнике.
Для тех, кто слабо понимает что это, немного поясню.

Это устройство, сравнивающие два сигнала и выдающее на выход ступенчато или ноль или напряжение питания, в зависимости от соотношений входных сигналов и имеющее петлю гистерезиса или по простому зону нечувствительности.

Это значит, что включившись при 2-х вольтах напряжения, он отключится при 1,5, для примера и не включится, пока напряжение снова не возрастет до 2-х. Это и есть гистерезис, обзовем его ΔU.

Мне для устройства понадобилась схема инвертирующего триггера шмитта т.е.

такого, который при увеличении напряжения выше порога срабатывания Uпор верхн выдаст на выход ноль и при снижении напряжения на входе ниже порога Uпор нижн выдаст на выход напряжение питания (единицу).

Вот на его примере и разберем, как нам сделать такую штуку и посчитать. Рассчеты в интернете есть, но они зачастую мудреные. Я Вам предлагаю рассчеты для своей схемы в формате Microsoft Exell таблиц, вбиваете свои числа и он выдает требуемые цифры.

Но обо всем по порядку.

Вот такая схема включения ОУ в качестве инвертирующего триггера шмитта.
Правее схемы диаграмма зависимости выходного напряжения (синее) от входного (красное). Есть некое опорное напряжение Uопорн, являющееся серединой между порогами переключения триггера.

Входной сигнал, достигнув верхнего порога Uопорн верхн перебрасывает триггер в ноль и тот там удерживается вплоть до достижения входом порога Uопорн нижн. Тогда триггер перебрасывается в единицу и остается в этом состоянии до достижения входным напряжением верхнего порога.

Таким образом, мы получаем фильтрацию колебаний напряжения в определенных пределах ΔU=Uопорн верхн — Uопорн нижн.

Зачем всё это? — спросите Вы. В моей схеме это используется для включения подогревов только после достижения напряжения бортсети значения 13,3В, что выше напряжения заряженного АКБ (12,72В) — это обеспечит включение подогревов только с работающим генератором.

И отключение подогревов при снижении напряжения в бортсети до 12,7В, что говорит о том, что генератор не работает и не даст разрядиться АКБ от подогревов.

В сочетании с автоматическим пуском при снижении температуры ниже определенного уровня полностью отпадает необходимость их ручного включения и отключения.

Что видим по схеме? Как и все триггеры шмитта, наш охвачен положительной обратной связью (ПОС) — резистор R6, которая и дает нам петлю гистерезиса.

Для стабильных параметров схемы делитель напряжения R3R4 должен питаться со стабилизированного источника напряжения 5В, от которого запитываем и наш ОУ.

Через делитель напряжения R1R2 мы на вход триггера подаем масштабированное напряжение бортсети авто.

Тонкость всего этого в том, что нужен более-менее точный расчет параметров резисторов и напряжений для обеспечения нужных вам порогов срабатывания. Дабы не считать на калькуляторе долго и упорно, подбирая номиналы резисторов, создал я в экселе таблицы для расчетов. Давно им пользуюсь, очень удобный инструмент, если требуется множество однообразных вычислений.

СРАЗУ ОГОВОРЮСЬ: расчеты, представленные в таблицах, верны ТОЛЬКО для однополярного напряжения питания ОУ 5В и опорного напряжения 5В. При двуполярном напряжении питания или напряжениях, отличающихся от 5В РАСЧЕТЫ БУДУТ НЕВЕРНЫ!

Но так как у нас тематический автомобильный ресурс, то для расчетов берем однополярное 5В, его-же опорным и отслеживаемым 12В бортсети.

Основное окно таблиц.

Тут у нас схема и график для пояснений и несколько таблиц для расчетов напряжения с делителя R3R4, быстрого подбора номиналов делителя R1R2 и подбора номиналов резисторов ПОС R5R6 по необходимому значению гистерезиса ΔU и сводная таблица фактических расчетных значений порогов срабатывания.
Совершенно необходимым условием работы схемы является значительно большее сопротивление резистора R5 по сравнению с резисторамиR3R4 (не менее 1-го порядка).

Как пользоваться? — очень просто.

Вбиваем в графы сопротивления R3R4 и напряжение питания делителя 5В и получаем напряжение с делителя и ток через него. Это напряжение нам понадобится для подбора параметров резисторов R1R2. Пишем в поле Uделит ниже то напряжение, что посчитали выше (можно деликатно округлить).

Затем начинаем играть R1R2 до тех пор, пока не получим напряжение Uin оно-же опорное напряжение максимально близко к заданному.

После подбора номиналов R1 — R4 нужно подобрать R5R6 с учетом заданной петли гистерезиса ±ΔU заданные. Вносим значение R5 в соответствующее окно и получаем R6 а так-же рассчетные значения порогов переключения Uпор нижн и Uпор верхн.

Ну и осталось только подставить более-менее нормальные цифры R5R6, а не те, что рассчитал компьютер и убедиться, что полученные значения пороговых напряжений и гистерезиса нас устраивают.

Вот и всё, так всё просто. Спасибо всем, осилившим статью до конца.

Сам файл .xlsx 133кБ вирусов нет)))

Всем удачи, до новых записей.

P.S. Господа специалисты — электронщики, если у кого появится желание дополнить расчеты другими режимами с иными напряжениями или двуполярным питанием — буду очень рад, прошу написать.

UPD 14.06.15 Натолкнулся на онлайн расчет параметров триггера шмидта.

Источник: https://www.drive2.ru/b/1484528/

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой –  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  

   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель – LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.

   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.  

 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.

1) Uin2

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В

   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation – насыщение). 

   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1..2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания.

Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка.

Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.

С учетом выше сказанного:

1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В

2)Uout = ~0 В

   То есть пока входной сигнал меньше опорного – на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю.    Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема. 

   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 

 

   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  

   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

Разберемся, как она работает. 

   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 

   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.

1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В

2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В

   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля.

Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит.

Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения.

И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения.

Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 

     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории. 

   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.

 

Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  

Uht = +Usat*R2/(R2+R1)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1)

 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором.

Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 

   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

   Теперь о недостатках схемы.

   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  

   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

Источник: http://chipenable.ru/index.php/how-connection/item/99

Принцип работы триггера Шмитта на ОУ

Триггер Шмитта –  это компонент электронного устройства, функция  которого  является формирование постоянно изменяющегося сигнала на входе в серию прямоугольных импульсов на выходе. Применяется  в аналого-цифровых преобразователях, фильтрах, линиях связи.

Триггер Шмитта имеет свое отличие от других видов триггеров тем, что он имеет единственный вход и один выход и не имеет свойства памяти. Триггер Шмитта состоит из двух инверторов, имеющих положительно-обратную связь (ПОС), в результате чего состояние выхода триггера может меняться лавинообразно.

Описание работы схемы

Триггер Шмитта  это компаратор, имеющий ПОС.  В данной схеме доля выходного электрического сигнала ОУ поступает на прямой вход и устанавливает уровень, при котором схема будет переключаться.

Принципиальная схема работы триггера Шмитта на ОУ изображена ниже.

ОУ подключен к двухполярному блоку питания на 5 вольт. На инверсный вход DA1 поступает синусоидный  сигнал равный амплитуде 2 В. Сопротивления R1 и R2 имеют значения 25 кОм и 10 кОм. Напряжение на прямом выводе DA1 поступает с делителя напряжения построенного на резисторах R1 и R2, который подключен к выходу ОУ.  Формула расчета для определения напряжения насыщения:

1. Uвх1 = +U*R2/(R1+R2) = 3,5*10/35 = 1 В
2. Uвх1 = -U*R2/(R1+R2) = -3,5*10/35 = -1 В 

Когда на выходе ОУ напряжение с положительным потенциалом насыщения – на прямом входе напряжение равно  1 вольту. Предположим, входной электрический сигнал постепенно увеличивается с нуля.

Пока потенциал входного сигнала не превышает напряжения на прямом входе – схема находится в стабильном состоянии.

Чуть только входной электрический сигнал превзойдет величину в  1 вольт, напряжение на входе ОУ сменит свою полярность на отрицательное напряжение  насыщения. Это поменяет напряжение на прямом входе ОУ, и оно будет равно -1 вольт.

Входной электрический сигнал постепенно будет увеличиваться до максимума, а затем начнет уменьшаться. После того как амплитуда сигнала на входе станет менее 1 вольта, то на выходе ОУ будет так же отрицательный потенциал насыщения. Как только сигнал на входе пройдет величину -1В, напряжение на выходе   поменяется и будет равным положительному потенциалу насыщения.

На графике можно наблюдать зависимость выходного напряжения триггера Шмитта от входного.

В результате такой работы схемы шумы входного сигнала не будут влиять на выходной сигнал.

Источник: http://www.joyta.ru/4675-princip-raboty-triggera-shmitta-na-ou/

Триггер Шмитта на операционном усилителе (ОУ)

Триггера Шмитта является очень полезным элементом при проектировании проектировать схем различных устройств.

Триггера Шмитта используется во многих областях электроники и связи. Довольно часто используется в цифровых схемах для сопряжения аналогового сигнала. Триггер срабатывает при определенном напряжении на его входе, выдавая сигнал логического уровня в зависимости от уровня напряжения на входе.

Например, для восстановления цифрового сигнала в зашумленных линиях связи, в системах цифро-аналогового преобразования и так далее.

Триггер Шмитта на операционном усилителе

Для построения триггера Шмитта используют компаратор на обычном операционном усилителе (ОУ) или же применяют специальную микросхему компаратора, и это встречается чаще.

Необходимо обратить внимание, что при использовании ОУ в триггере Шмитта, если входной сигнал является медленно нарастающим или имеет шумы, то существует вероятность того, что выход будет многократно переключаться, вследствие неполного закрытия-открытия выходного транзистора ОУ. Это связано с таким параметром ОУ как входное напряжение смещения.

Обычный компаратор может быть легко преобразован в триггер Шмитта путем добавления положительно-обратной связи (ПОС) операционного усилителя или компаратора. Это обеспечивается добавлением резистора R3 в приведенной ниже схеме.

Эффект от данного резистора (R3) проявляется в том, что он смещает порог переключения зависящий от выходного состояния компаратора или операционного усилителя.

 Когда выходной сигнал компаратора является высоким, то это напряжение подается обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя. В результате порог переключения становится выше. Когда же на выходе напряжение падает, то порог переключения также снижается. Это придает схеме так называемый гистерезис.

Применение положительно-обратной связи создает более высокий коэффициент усиления и, следовательно, переключение происходит быстрее. Это особенно полезно, когда входной сигнал медленно изменяющийся. Так же для увеличения скорости переключения триггера Шмита, параллельно резистору ПОС подключают так называемый скоростной конденсатор емкостью 10…100 пФ.

Довольно легко подобрать резисторы, необходимые для работы триггера Шмитта. Уровень напряжения, при котором необходимо, чтобы триггер переходил в свое противоположное состояние, задается делителем напряжения из резисторов R1 и R2. Это первое что необходимо сделать. Затем уже подбирается резистор обратной связи R3.

Особенности построения Триггера Шмитта на ОУ

При использовании ОУ в качестве компаратора, необходимо соблюдать осторожность. Операционный усилитель спроектирован для функционирования в схемах с отрицательной обратной связью. В результате, производители ОУ не гарантируют, что ОУ будут также надежно работать в цепях без обратной связи, либо с положительной обратной связью, как и в случае с триггером Шмитта.

Источник: http://fornk.ru/1861-trigger-shmitta-na-ou/

Операционный усилитель

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности.

На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую.

Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Uout=(U2-U1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно.

Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП.

Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

Uout = (0 — U1)*К = — К*U1
Uout’ = (-K*U1 — U1)*K1 …

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

• Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
• Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю.

Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход.

И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.

4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.

4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика.

Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.

В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Uout = U1*(1+R1/R2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль.

Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль.

Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Uout = — Uin * R1/R2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Uout = U2*K2 — U1*K1

K2 = ((R3+R4) * R6 ) / (R6+R5)*R4
K1 = R3/R4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Uout = R3/R4 (U2 — U1).

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Uout = -1(R3*U1/R1 + R3*U2/R2)

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U1*K1 + U2*K2

K1 = R5/R1
K2 = R5/R2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

Источник: http://easyelectronics.ru/operacionnyj-usilitel.html

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ)

Прежде чем начнём разбираться с компаратором, давайте вспомним, что такое операционный усилитель(ОУ). Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается треугольником, как показано на рисунке ниже.

Давайте подробнее рассмотрим назначение выводов:

• два вывода для подключения питания, плюс и минус напряжения питания;
• два входа, один неинвертирующий, обозначенный V+ и один инвертирующий, обозначенный V-;
• один выход, обозначенный Vвых;

Скорее всего, у того кто до этого не был знаком с операционным усилителем возникнет вопрос, что такое инвертирующий и неинвертирующий вход, давайте рассмотрим это на примере.
На рисунке выше видно, что если напряжение на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе будет плюс напряжение питания.Если, наоборот, напряжение на инвертирующем входе будет больше чем на неинвертирующем, то на выходе будет минус напряжение питания.

По сути мы рассмотрели как работает компаратор. Компаратор от английского слова compare – сравнить, то есть он сравнивает два напряжения и в зависимости от того на каком из входов оно выше, устанавливает на выходе плюс или минус напряжения питания. Также, можно сказать, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи, обладающая большим коэффициентом усиления. Под отрицательной обратной связью понимают, соединение инвертирующего входа с выходом, напрямую или через электронный компонент, например, резистор, кондесатор или диод.

Для демонстрации, того как работает компаратор рассмотрим схему, изображённую ниже.
В этой схеме с помощью делителя, резисторами 10К и 100К, устанавливается на инвертирующем входе напряжение 0,45V, его ещё называют опорным. Пока напряжение на неинвертирующем входе меньше 0,45V, на выходе будет 0V и светодиод не загорится, как только напряжение на неинвертирующем входе превысит это значение, на выходе станет 5V и светодиод загорится. Таким образом, вращая потенциометр, мы можем зажигать и гасить светодиод. Схема непрактичная, но наглядная.

В одной из статей описывается как работает пиковый детектор, там как раз можно увидеть ОУ включённый как компаратор. Для увеличения можно кликнуть по фото.

Давайте немного упростим схему.
И подключим осциллограф к входам компаратора. Первый канал — неинвертирующий вход, второй — инвертирующий.

Во время хлопков в ладоши возникают всплески, если при этом амплитуда всплесков(жёлтые) превышает опорное напряжение(бирюзовый), на выходе появляется плюс напряжения питания, иначе минус.В этом случае в качестве датчика у нас выступает микрофон, также в качестве датчика может выступать фотодиод, для включения света при низком уровне освещенности, а его мы задаем опорным напряжением.

Ранее, мы договорились, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи. Но кроме отрицательной обратной связи существует, ещё положительная обратная связь.

Схема, изображенная выше, называется инвертирующий триггер Шмитта, по сути это тот же компаратор, только с положительной обратной связью. Принцип его работы заключается в следующем, помните на осциллограмме когда жёлтые линии пересекали бирюзовую, изменялось напряжение на выходе. Так вот здесь линий, которые можно пересечь две, при превышении верхней линии на выходе появляется минус напряжения питания, если значение опустится ниже нижней линии —плюс, а в промежутке между линиями система сохраняет своё состояние.

Так же существует неинвертирующий триггер Шмитта, он изображен на схеме ниже.

Логичным вопросом будет, почему того же Отто Герберт Шмитт не устроил обычный компаратор и он изобрел свой. Ответ прост, если на вход компаратора без положительной обратной связи подать зашумленный сигнал, это вызовет множество ложных срабатываний, для того чтобы избежать этого был придуман триггер Шмитта, у которого два порога переключения.Правда и у него тоже есть, что доработать. Хотелось бы избавиться от двуполярного питания и так как пороги срабатывания задаются с помощью делителя, то они симметричны относительно нуля, а хотелось бы выбирать их произвольно.

Пожалуй это всё, что хотелось рассказать про компараторы на ОУ, если появилось желание разобраться более подробно, добро пожаловать сюда.

Источник: https://hubstub.ru/circuit-design/53-kak-rabotaet-komparator-na-operacionnom-usiliteleou.html

NGSPICE.js – компаратор и триггер Шмитта на ОУ

Published: Чт. 24 Ноябрь 2016By Oleg Mazko

In Electronics.

tags: gEDA ngspice ОУ

Продолжаем осваивать NGSPICE вообще и ОУ в частности.

Компаратор сравнивает два аналоговых сигнала и выдаёт двоичный результат в виде 0 или 1 на выходе. Простейшую схему компаратора на ОУ мы уже построили ранее – на один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой – сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.

Так как в схеме отсутствует обратная связь, то идеальный ОУ может быть только в режиме насыщения и соответственно либо с минимальным либо максимальным уровнем напряжения питания на выходе.

В зависимости от того на какой из дифференциальных входов подаётся опорное напряжение компаратор может быть соответственно инвертирующим и неинвертирующим.

В следующих схемах использовалась SPICE модель операционного усилителя LT1007:

~$ wget http://cds.linear.com/docs/en/software-and-simulation/LT1007CS.txt

неинвертирующий компаратор с однополярным питанием | netlist | ngspice.js

ngspice 1 -> source comparator-single.net
ngspice 2 -> tran 10u 4m
ngspice 3 -> plot v(out) v(in)

Опорное напряжение задано делителем Rf1/Rf2 и очевидно равно 5В. При этом на вход поступает сигнал сложной формы. Компаратор отработал логически правильно сработав четырежды т.к.

входное напряжение четырежды перевалило отметку 5В, однако на практике зачастую требуется иное поведение если предположить что провал напряжения посредине это была помеха.

Для борьбы с этим неприятным явлением в компаратор с помощью ПОС добавляют гистерезис и называется такое решение триггером Шмитта.

Как видно на следующей схеме, триггер Шмитта очень похож на обычный компаратор за исключением положительной обратной связи через резистор Rf. Гистерезис добавляет задержку выключения компаратора и тем самым обеспечивается более высокая помехоустойчивость схемы.

инвертирующий триггер Шмитта с однополярным питанием | netlist | ngspice.js

ngspice 1 -> source shmitt-trigger-single.net
ngspice 2 -> tran 10u 4m
ngspice 3 -> plot v(out) v(in)

Приблизительный расчёт напряжений срабатывания с гистерезисом:

• верхний порог V1*Rf2/(Rf2+Rx) = 15*15000/(15000+29876) ≈ 5 В, где Rx = (Rf1*Rf)/(Rf1+Rf) = 47000*82000/(47000+82000) ≈ 29876 Ом
• нижний порог V1*Rx/(Rf1+Rx) = 15*12680/(47000+12680) ≈ 3.2 В, где Rx = (Rf2*Rf)/(Rf2+Rf) = 15000*82000/(15000+82000) ≈ 12680 Ом

Ну а фактически на картинке верхний порог срабатывания получился чуть меньше 5 Вольт, тогда как нижний чуть больше 3 Вольт.

Далее немного о выходных каскадах усилителей.

Источник: http://proiot.ru/blog/posts/2016/11/24/ngspicejs-komparator-i-trigger-shmitta-na-ou/

Компараторы. Триггер Шмитта

Компаратор (рисунок 2.

25)осуществляет сравнение измеряемого входного напряжения (Uвх) с постоянным опорным напряжением (Uоп) и, при достижении входным напряжением уровня опорного напряжения, изменяет полярность напряжения на выходе операционного усилителя (ОУ), например, с +Uвыхmax на –Uвыхmax. При Uon=0, компаратор осуществляет фиксацию момента перехода выходного напряжения через ноль.

Компараторы применяются в системах автоматического управления, в измерительной технике, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях и др.

Рисунок 2.25

Разность напряжений Uвх-Uon является входным напряжением Uо ОУ. При Uвх0 и Uвых=

-Uвыхmax. Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение Uon.

Широкое применение получил компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу с помощью резисторов R1 и R2 (рисунок 2.26).

Рисунок 2.26

Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом и называется «Триггер Шмита».Переключение схемы в состояние -Uвыхmax происходит при достижении Uвх напряжения (порога) срабатывания Uср, а возвращение в исходное состояние Uвых=Uвыхmax при снижении Uвх до напряжения (порога) отпускания Uотп.

=

=

Ширина зоны гистерезиса

Важнейшим показателем ОУ, работающих в импульсном режиме является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунд.

Мультивибраторы

Мультивибраторы предназначены для генерирования последовательности импульсов прямоугольной формы с требуемыми параметрами: частотой, амплитудой, длительностью и др. Для построения мультивибраторов применяют ОУ в интегральном исполнении.

Рассмотрим схему симметричного мультивибратора на ОУ (рисунок 2.27). Её основой служит компаратор на ОУ с положительной обратной связью. Автоколебательный режим работы создаётся за счёт подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей RC-цепочки.

Рисунок 2.27

Пусть до момента времени t1 Uo>0. Это определяет напряжение на выходе ОУ Uвых=Uвыхm- и на его неинвертирующем входе U+=kUвыхm-, где k– коэффициент передачи цепи обратной связи. Конденсатор заряжается через резистор R напряжением полярностью без скобок.

В момент t1 напряжение на инвертирующем входе достигает напряжения на неинвертирующем входе, то есть U=kUвыхm-. Напряжение Uo=0, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ. Uвых=Uвыхm+.

Напряжение U+ также изменяет знак и становится равнымkUвыхm+, что соответствует Uo

Источник: http://znatock.org/s4813t1.html

Триггер Шмитта на ОУ

Триггер Шмитта

Rэ осуществляет положительную ОС.

При Uвх=0 VT1 закрыт, VT2 открыт высоким Uк1. Через Rэ протекает и выделяет на нем напряжение , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ прикладывается также к эммитеру первого транзистора VT1. При увеличении Uвх да значения VT1 открывается лавинообразно, VT2 закрываентся. Через Rэ протекает и выделяет на нем . Т.к.

, то для запирания VT1 на его базу крайне важно подать , ᴛ.ᴇ. амплитудная характеристика обладает гистерезисом, ширина петли которого определяется величиной , а также Rэ. Эти резисторы влияют также и на значение порога срабатывания триггера.

ограничивает ток базы VT2 и в некоторых схемах может отсутствовать.

Триггер Шмитта на ОУ (компаратор напряжений с гистерезисом) – компаратор на ОУ с положительной ОС.

Напряжение на инвертирующем входе больше, чем на инвертации, что поддерживает на выходе высокий положительный уровень. Т.к. Uвх станет больше +2В, происходит опрокидывание триггера и напряжение на выходе будет -12В.

На инвертирующем входе U=-2B . Для того, чтобы вернуть триггер в прежнее состояние крайне важно подать на вход отрицательное напряжение, превышающее по модулю 2В.

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину называемую гистерезисом переключения.

Напряжение срабатывания можно изменять подачей то внешних источников на входы ОУ. Ширина петли гистерезиса определяется соотношением R1 и R2. Существуют инвертирующие и неинвертирующие триггеры Шмитта.

Триггер Шмитта на транзисторах

Триггер Шмитта на ОУ и его выходная характеристика

В схеме триггера Шмита гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R27, R28. В случае если на инвертирующий вход подать большое отрицательное напряжение Uвх, то выходное напряжение компаратора составит Uвых = Uвых.мах.

На неинвертирующем входе потенциал будет составлять U+мах=Uвых.мах·R28/(R28+R27). При повышении входного напряжения Uвх величина выходного напряжения сначала не меняется. Но как только Uвх достигнет значения U+мах выходное напряжение начинает падать, в вместе с ним снижается и потенциал U+мах на неинвертирующем входе.

Благодаря действию положительной обратной связи Uвых скачком падает до величины Uвых.min, а потенциал U+ принимает значение U+min= Uвых.min·R28/(R28+R27). Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения Uвых.

мах только тогда, когда входное напряжения достигнет значения U+min.

Из выше сказанного следует, что величина гистерезиса переключения определяется по формуле: .

А) Б)

Схема А) инвертирующего, Б) не инвертирующего триггера Шмидта.

Используются: для сравнения двух зашумленных либо медленно изменяющихся вов времени сигналов, что позволяет исключить многократное срабатывание компаратора при близких значениях входных напряжений, ᴛ.ᴇ. они обладают высокой регулируемой помехоустойчивостью, однако обеспечивают меньшую точность, чем обычные компараторы.

Компараторы выпускаются в виде готовых изделий с целью улучшения быстродействия, использования одного источника питания и с возможностью подключения к нагрузке источника питания другой величины. Также компараторы чаще всœего не могут выполнять роль усилителœей. ОУ могут работать в качестве компараторов. Синфазное входное напряжение должна быть меньше 0, в минимальное выходное =0,1 В.

• – Триггер Шмитта на ОУ

  Триггер Шмитта Rэ осуществляет положительную ОС. При Uвх=0 VT1 закрыт, VT2 открыт высоким Uк1. Через Rэ протекает и выделяет на нем напряжение , которое прикладывается также к эммитеру первого транзистора VT1. При увеличении Uвх да значения VT1 открывается лавинообразно, VT2… [читать подробнее].

Источник: http://referatwork.ru/category/svyaz/view/415663_trigger_shmitta_na_ou