18. Der Komparator, Positive Feedback und Schmitt Trigger

18.1. Zielsetzung

Ziel dieser Übung ist es, den Spannungskomparator, die Verwendung von positiver Rückführung und den Betrieb der Schmitt-Trigger-Konfiguration zu untersuchen. Die Verwendung konventioneller Operationsverstärker als Ersatz für Spannungskomparatoren wird im Abschnitt Grundlegende Operationsverstärker-Schaltungen beschrieben.

18.2. Anmerkungen

In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn es um die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab Board Hardware geht. Die für die 5V - Spannungsversorgung verwendeten Verlängerungsstecker-Pins sind in der Dokumentation dargestellt. Die Oszilloskop - und Signalgeneratoranwendung wird zum Erzeugen und Beobachten von Signalen auf der Schaltung verwendet.

18.3. Hintergrund

18.4. Der Spannungsvergleicher

Ein Differenzspannungskomparator wie der AD8561 aus dem Analogteilesatz hat eine Pinbelegung, die in vielerlei Hinsicht der eines herkömmlichen Operationsverstärkers ähnlich ist, aber viele wichtige Unterschiede aufweist (Abb. 18.1). Es gibt die üblichen \(V_+\) und \(V_-\) Spannungsversorgungsstifte, aber ein Komparator hat auch einen Erdungsstift (GND). Die differentiellen \(+IN\) - und \(-IN\) -Pins sind im Wesentlichen die gleichen wie bei einem herkömmlichen Operationsverstärker. Es wird auch einen Ausgangspin wie in einem Operationsverstärker geben, aber es gibt oft einen zweiten „invertierenden“ („invertierenden“) („komplementären“) Ausgang. Auch während die Spannung am Ausgang eines Operationsverstärkers im Allgemeinen in der Nähe der \(+\) und \(-\) Versorgungsschienen schwingen kann, schwingt der Ausgang eines Vergleichers nur zwischen Masse (gnd) und der \(+\) Versorgung. Dies macht den Ausgang eher zu einem digitalen Signal und ist kompatibel mit Standard-Logikgattern wie TTL oder CMOS. Der Spannungskomparator kann als ein Single-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) betrachtet werden. Der AD8561 beinhaltet auch einen LATCH-Eingang, der den Ausgang verriegelt oder einfriert und verhindert, dass er sich ändert, auch wenn sich die Eingänge ändern.

Abb. 18.1 AD8561 Datenblatt und Pinbelegung

18.5. Materialien

• Red Pitaya STEMlab

• OPAMP: 1x AD8561 Spannungskomparator

• Spannungsregler: 1x LM317

• Widerstand: 2x 4,7 \(k\Omega\)

• Widerstand: 1x 20 \(k\Omega\)

• Widerstand: 1x 47 \(k\Omega\)

• Widerstand: 1x 100 \(k\Omega\)

• Kondensator: 1x 0,1 \(\mu F\)

18.6. Vorbereitung

Bauen Sie die Vergleichsprüfschaltung wie in Abb. 18.2 auf Ihrer lötfreien Lochrasterplatine auf. Die beiden Pull-up-Widerstände \(4,7 k\Omega\) sind optional und werden verwendet, um den maximalen positiven Ausgangshub auf näher an die \(+5 V\) -Versorgung zu erhöhen.

Abb. 18.2 AD8561 Komparatorschaltung

Bemerkung

Spannungskomparatoren sind extrem empfindlich gegenüber dem Rauschen und den Störungen auf der Stromversorgungsschiene. Eine verrauschte Stromversorgungsschiene führt zu Störungen des Ausgangssignals. Diese Störungen treten bei Schaltschwellenspannungen auf. Mit anderen Worten, der Vergleicher wird Schwierigkeiten haben, sich für das Einschalten von \(V+\) oder \(V-\) zu entscheiden, wenn er zwei Eingangssignale vergleicht, die vom Rauschen der Stromversorgung betroffen sind. Aus diesem Grund verwenden wir hier einen Spannungsregler, um unsere Stromversorgungsschiene zu stabilisieren und eine verrauschte Ausgabe des Vergleichers zu verhindern. Sie können es direkt mit der \(5 V\) -Netzteilschiene versuchen und die Ergebnisse beobachten und mit den Ergebnissen des Spannungsreglers vergleichen. Hinweis: Es ist nicht notwendig, die Spannung von \(5 V\) auf \(2,5 V\) herunterzufahren, aber wir haben uns für diese einfache Form entschieden.

Abb. 18.3 AD8561 Komparatorschaltung auf dem Steckbrett

LM317 Spannungsregler ist im vorherigen Kapitel beschrieben.

18.7. Verfahren

1. Stellen Sie die Dämpfung der Oszilloskopsonden ein; IN1 auf x1 und IN2 auf x10

2. Starten Sie die Oszilloskop & Signalgenerator - Anwendung.

3. Zum Anlegen der Eingangsspannung \(V_{in}\) im Menü OUT1 Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,5 V\) und den DC-Offset auf \(0,5 V\) setzen. Wählen Sie im Wellenform-Menü TRIANGLE, Deaktivieren Sie den SHOW-Button und wählen Sie Enable.

4. Stellen Sie im OUT2-Einstellungsmenü den Amplitudenwert auf \(0,5 V\) ein, wählen Sie im Wellenformmenü die Option DC und aktivieren Sie Enable.

5. Stellen Sie im Menü für die IN2-Einstellungen die Sondendämpfung auf x10 ein

6. Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN1 \(V/div\) auf \(500 mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/ div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und die vertikalen +/- Regler verwenden)

7. Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN2 \(V/div\) auf \(1 V/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und vertikale +/- Regler verwenden)

8. Stellen Sie sicher, dass OUT2 \(V/div\) am linken unteren Bildschirmrand auf \(500 mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und die vertikalen +/- Regler verwenden)

9. Setze \(t/div\) Wert auf \(200 us/div\) (Du kannst \(t/div\) mit horizontalen +/- Kontrollen einstellen)

Abb. 18.4 AD8561 Komparatorschaltung Messungen

Sie sollten eine Rechteckwelle sehen, die hoch (etwa \(+2.5 V\)) ist, wenn der Eingangssignalpegel größer als \(0,5 V\) (OUT2 DC-Wert) und niedrig (etwa \(0 V\)) ist, wenn das Eingangssignal kleiner als \(0,5 V\) ist. Beachten Sie die Pegel der Eingangsdreieckswelle, bei denen der Ausgang von niedrig nach hoch und von hoch nach niedrig wechselt.

Verbinden Sie nun den Kanal IN1 (Einstellung der Sondendämpfung x10 und IN1 Einstellung Menü Sondendämpfung auf x10 einstellen) mit dem invertierenden Ausgang (Pin 8). Sie sollten wieder eine Rechteckwelle sehen, aber mit entgegengesetzter Phase zu Pin 7(IN2). Ändern Sie auch den Gleichstrompegel von OUT2 (Amplitude auf \(0,7 V\) einstellen) - dies ändert den Schaltpegel des Spannungskomparators und führt zu einer unterschiedlichen Dauer der Zustände HIGH und LOW des Komparatorausgangs. Du solltest wieder zwei Rechteckwellen mit entgegengesetzten Phasen sehen, aber jetzt mit entgegengesetzten HIGH und LOW Zeitdauern.

1. Stellen Sie die Dämpfung der Oszilloskopsonden ein; IN1 auf x10 und IN2 auf x10

2. Stellen Sie im OUT2-Einstellungsmenü den Amplitudenwert auf \(0,7 V\) ein, wählen Sie im Wellenformmenü die Option DC, und wählen Sie Enable.

3. Stellen Sie im Einstellungsmenü für IN2 und IN2 die Sondendämpfung auf x10 und den Offsetpegel \(-1700 mV\) ein

   Bemerkung

   Aus der obigen Beschreibung können Sie vielleicht sehen, wie man ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) unter Verwendung eines Dreiecksignals mit konstanter Frequenz und eines veränderbaren DC \(V_{ref}\) -Werts erzeugt.

Abb. 18.5 AD8561 beide Ausgangsmessungen bei verschiedenen \(V_{ref} = 0.7V\)

Zoomen Sie in die fallende Flanke der Rechteckwelle des Ausgangs (IN2), indem Sie die Einstellungen für die horizontale Position und die Zeit pro Teilung so anpassen, dass die fallende Flanke auf die Zeitachse zentriert ist und die Zeit pro Teilung klein genug ist, um die Übergangszeit der Flanke (\(5 uS/div\)) zu sehen. Sie sollten sehen, dass der Ausgang nicht vom hohen Ausgangspegel bis zum niedrigen Ausgangspegel auf einmal geht, sondern teilweise stoppt und einige Zeit auf einem Zwischenpegel verbringt, bevor er den weiteren Weg zum niedrigen Ausgangspegel geht. Sie sollten diese Verzögerung auch beim Übergang von Low zu High (IN1) sehen. Diese Verzögerung wird durch Rauschen verursacht, da das Eingangssignal langsam den Eingangsschwellenwert (in diesem Fall \(0,7 Volt\)) überschreitet und Probleme verursachen kann. Aus diesem Grund ist es gut, eine rauscharme Stromversorgung und rauscharme Eingangssignale am Spannungsvergleicher zu haben. Versuchen Sie, die Messung des Schaltrauschens an einem verrauschten Netzteil zu wiederholen (\(5 V\) -Pin direkt vom STEMlab-Board).

Abb. 18.6 Schaltgeräuschmessungen.

Bemerkung

Normalerweise besteht unserer Bestreben darin, eine hohe Wahrscheinlichkeit von Rauschproblemen mit hochfrequenten Signalen zu korrelieren. Im Falle eines Spannungskomparators ist dies nicht immer der Fall. Wenn wir die OUT1-Frequenz (\(V_{in}\)) auf \(100 kHz\) erhöhen, ist das Schaltrauschen viel geringer. Wie ist das möglich? Sie denken vielleicht so: Spannungsvergleicher hat sehr empfindliche Eingänge und vergleicht ständig Werte von \(V_{in}\) und \(V_{ref}\). Stellen wir nun \(V_{in}\) als rauschfreies Signal und \(V_{ref} = DC + (-) A_{noise}\) ein. Wenn sich das Dreieckwellen- \(V_{in}\) -Signal langsam \(V_{ref}\) nähert, beginnt der Spannungsvergleicher zu schalten und wenn die \(V_{ref}\) -Amplitude um den DC-Wert rauscht, ändert der Vergleichsausgang den Zustand entsprechend dem \(V_{in} - (V_{ref} = DC + (-) A_{Rauschen})\) -Verhältnis. Solange die \(V_{in}\) -Amplitude also im Bereich von \(V_{ref} = DC + (-) A_{noise}\) -Wertes bleib schaltet der Komparatorausgang effektiv das Rauschen ein und nicht die Eingangssignale. Sobald \(V_{in}\) unter \(V_{ref} = DC - A_{noise}\) oder über \(V_{ref} = DC + A_{noise}\) geht, schaltet der Komparator hoch oder niedrig, aber jetzt auf Eingangssignalwerte und nicht auf Rauschwerte. Sie können sehen, dass die niederfrequente Dreieckwelle \(V_{in}\) mehr Zeit in der Nähe von \(V_{ref} = DC + (-) A_{noise}\) verbringen wird, was dazu führt, dass der Spannungsvergleicher verrauschte Signale erzeugt, während die hochfrequente Dreieckwelle \(V_{in}\) schnell durch den \(V_{ref} = DC + (-) A_{noise}\) -Bereich geht und verhindert, dass der Komparator ein rauschen erzeugt.

Abb. 18.7 Schaltvorgang bei hoher Eingangssignalfrequenz (100 kHz)

18.8. Mit positiver Rückkopplung zur Hysterese: der Schmitt-Trigger

Neben der rauscharmen Stromversorgung besteht eine gemeinsame Lösung für das soeben skizzierte Problem darin, der Vergleichsschaltung eine Störfestigkeit hinzuzufügen, indem die Hysterese in die Übergangsschwellenspannung \(V_{th}\) integriert wird, wie in Abb. 18.8 dargestellt. Unter „Hysterese“ verstehen wir, dass die Schwellenspannung eine Funktion des aktuellen Betriebszustandes des Systems ist, der für diese Schaltung durch seine Ausgangsspannung definiert ist: positive oder negative Sättigung. Da \(V_{th}\), die Spannung an Pin 2, durch den aus den Widerständen \(R1\) und \(R2\) gebildeten Spannungsteiler bestimmt wird, ändert sie sich als Reaktion auf eine Änderung der Ausgangsspannung: Sobald der Ausgang als Reaktion auf einen Eingang, der die Schwellenspannung unterschritten hat, hochgegangen ist, wird die Schwellenspannung auf einen höheren Wert \(V_{th+}\) ( \(V_{ref}\) + ein Bruchteil der Ausgangshochspannung) geändert; umgekehrt ändert eine durch \(V_{th+}\) ansteigende Eingangsspannung den Ausgang in ihren niedrigen Zustand und bewirkt, dass die Schwellenspannung auf einen niedrigeren Wert \(V_{th}\) - ( \(V_{ref}\) - ein Bruchteil der Ausgangsniederspannung) eingestellt wird.

Abb. 18.8 Schmitt-Trigger

Diese Differenz zwischen \(V_{th+}\) und \(V_{th-}\) bedeutet, dass Rauschauslenkungen, die kleiner als diese Differenz am Eingang sind, \(V_{in}\) nicht dazu veranlassen, die Hystereselücke \(V_{hist} = V_{th+} - V_{th-}\) zu überschreiten und eine unerwünschte Umkehrung des Ausgangszustands bewirken. Wenn der Hysteresespalt groß genug ist, kann das System vollständig undurchlässig für das Rauschen des Eingangssignals gemacht werden, wodurch die störenden Ausgangspegel der grundlegenden Vergleichsschaltung eliminiert werden (Abb. 18.1).

18.9. Berechnung des Schwellenwertes

Lassen Sie uns die maximalen und minimalen Ausgangsspannungen \(V_{high}\) und \(V_{low}\) nennen. Die Schwellenspannung, wenn der Ausgang auf \(V_{high}\) und \(V_{low}\) steht, ist:

(18.1)\[V_{th_{high}} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} (V_{high} + V_{ref}) + V_{ref}\]

(18.2)\[V_{th_{low}} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} (V_{low} - V_{ref}) + V_{ref}\]

Die resultierende Hystereselücke für die Schaltung von Abb. 18.8 ist gegeben durch:

(18.3)\[V_{hist} = V_{th_{hoch}} - V_{th_{niedrig}} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} (V_{hoch} - V_{niedrig})\]

Für den AD8561 mit \(+2,5 V\) Spannungsversorgung und Pull-up-Widerstand, beträgt \(V_{high} - V_{low} \approx 2,3 V\). Da das andere Ende des Spannungsteilers (unten bei \(R1\)) mit \(V_{ref} = 0,5 V\) verbunden ist, werden die Schwellenspannungen \(V_{th_{high}} und V_{th_{low}}\) um \(0,5 V\) (\(V_{ref}\)) zentriert, vorausgesetzt, dass \(V_{high}\) und \(V_{low}\) mehr oder weniger um \(0,5 V\) zentriert sind). Das Anschließen des unteren Teils von \(R1\) an eine andere Spannungs-Referenzquelle und nicht an die mittlere Versorgung hat keinen Einfluss auf die Hysterese, sondern zentriert diese um einen Schwellenwert, der proportional zur neuen Referenzspannung ist. Tatsächlich könnte der negative Eingangspin des Vergleichers an die feste Referenzspannung angeschlossen werden und das Ende von \(R1\) als Eingang betrachtet werden. Dadurch wird der Sinn der beiden Ausgänge umgekehrt oder umgekehrt. Die oben genannte Darstellung kann im Schmitt-Hysterese-Plot in Abb. 18.9 dargestellt werden.

Abb. 18.9 Schmitt Hysterese

Bemerkung

Die Hysteresegleichung stellt eine potenzielle Einschränkung des Verhältnisses \(R1\) / \(R2\) für einen Schmitt-Trigger dar: Sofern \(R1\) < \(R2\) fehlt, ist die Hysteresegrenze größer als die Hälfte des Peak-to-Peak-Ausgangsspannungshubbereichs des Vergleichers und je nach Referenzspannungswert kann die eine oder andere der Schmitt-Triggergrenzen außerhalb des Bereichs der Ausgangsspannung liegen. Angenommen, der Eingangssignalspannungsbereich ist ebenfalls auf den Ausgangshubbereich beschränkt (d.h. die Stromversorgungsschienen), dann könnte der Ausgang der Schaltung blockieren und nicht mehr auf Änderungen im Eingang reagieren, was die Schaltung unbrauchbar macht.

18.10. Verfahren

Fügen Sie die beiden positiven Rückkopplungswiderstände zu Ihrer Schaltung hinzu, wie in Abb. 18.8 dargestellt. Verwenden Sie Werte für \(R2 = 100 k \Omega\) und \(R1 = 10 k \Omega\). Mit IN2 beobachten Sie erneut die Ausgangsrechteckwelle, notieren Sie aber den Pegel der Eingangsdreieckwelle, wenn der Ausgang den Pegel von niedrig nach hoch und hoch nach niedrig ändert. Versuchen Sie einen Wert für \(R2\) kleiner als \(R1\). Funktioniert die Schaltung noch?

1. Stellen Sie die Dämpfung der Oszilloskopsonden ein; IN1 auf x1 und IN2 auf x10

2. Starten Sie die Oszilloskop & Signalgenerator - Anwendung.

3. Zum Anlegen der Eingangsspannung \(V_{in}\) im Einstellungsmenu OUT1 den Amplitudenwert auf \(0,5 V\) und den DC-Offset auf \(0,5 V\) setzen. Wählen Sie im Wellenform-Menü TRIANGLE, Deaktivieren Sie den SHOW-Button und wählen Sie Enable.

4. Stellen Sie im OUT2-Einstellungsmenu den Amplitudenwert auf \(0,5 V\) ein, wählen Sie im Wellenformmenü die Option DC, deaktivieren Sie die Option SHOW und wählen Sie Enable.

5. Vergewissern Sie sich auf der linken unteren Seite des Bildschirms, dass IN1 \(V/div\) auf \(200 mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und die vertikalen +/- Regler verwenden)

6. Stellen Sie sicher, dass IN2 \(V/div\) am linken unteren Bildschirmrand auf \(500 mV/div\) eingestellt ist (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie den gewünschten Kanal auswählen und die vertikalen +/- Regler verwenden)

7. Stellen Sie im Einstellungsmenü IN1 die Sondendämpfung auf x1 und den Offsetpegel auf \(-500 mV\) ein

8. Stellen Sie im IN2-Einstellungsmenü die Sondendämpfung auf x10 und den Offsetpegel auf \(-1000mV\) ein

9. Wählen Sie im Menü TRIGGER die Quelle IN2, wählen Sie die positive Flanke und stellen Sie den Triggerpegel auf \(2 V\) ein

10. Setze \(t/div\) Wert auf \(200 us/div\) (Du kannst t/div mit horizontalen +/- Kontrollen einstellen)

Abb. 18.10 Schmitt Hysterese und Ausgangssignal

Vergleichen Sie die Ergebnisse aus Abb. 18.10 und Abb. 18.4. Betrachten Sie die Pegel von IN1, wenn IN2 hoch und runter geht.

Um zu sehen, ob sich die durch das Eingangsrauschen verursachte Verzögerung geändert hat, zoomen Sie erneut in die fallende und steigende Flanke der Ausgangsrechteckwelle, indem Sie die horizontale Position und die Zeit pro Division einstellen. Pausiert der Ausgang auf dem gleichen Zwischenpegel wie die Übergänge oder hat er diese Verzögerung nicht mehr?

1. Wählen Sie im Menü TRIGGER die Quelle IN2, wählen Sie die positive Flanke, NORMAL und setzen Sie den Triggerpegel auf 2V

2. Setze \(t/div\) Wert auf \(5 us/div\) (Du kannst \(t/div\) mit horizontalen +/- Kontrollen einstellen)

Abb. 18.11 Schaltgeräusch mit Hysterese

Wie Sie aus Abb. 18.11 ersehen können, ist bei Verwendung der Hysterese kein Schaltrauschen vorhanden. Vergleichen Sie Abb. 18.6 und Abb. 18.11.