BICT

r pilovitého napětí. Zdroj konstantního proudu
nám umožní lineární nabíjení kondenzátoru (Obr. 3.7).
25


Obr. 3.7. Celkové zapojení generátoru pilovitého signálu

Generátor šířkově modulovaného pulsu
Jak již bylo uvedeno v popisu funkce časovače 555, lze chování astabilního klopného obvodu
ovlivňovat rovněž použitím pomocných vstupů. Přivedením modulačního napětí na řídicí vstup
(vývod 5) se změní referenční napětí obou komparátorů, která určují jak horní, tak spodní prahové
napětí. Tím se změní též doba nabíjení a jí odpovídající doba trvání impulsu. Z toho vyplývá, že se
změní i celková perioda a tím i frekvence výstupních impulsů. Na výstupu pak bude šířkově, popř.
kmitočtově modulované napětí. Přiváděné řídicí napětí nesmí být příliš velké, jinak by nedocházelo
k zaručenému spínání komparátorů.

Obr. 3.8. Celkové zapojení pro šířkovou modulaci impulsů
26

3.2 POPIS PŘÍPRAVKU

Obr. 3.9. Regulovatelný stabilizovaný zdroj
Přípravek obsahuje tři časovací obvody 555, jeden zapojený jako monostabilní klopný obvod
(Obr. 3.3), další v zapojení generátoru pilovitého průběhu (Obr. 3.7), a poslední v zapojení
astabilního klopného obvodu a také jako generátor šířkově modulovaného pulsu (Obr. 3.4, Obr. 3.5
a Obr. 3.8). Napájecí napětí UCC je regulováno vestavěným stabilizovaným zdrojem napětí
v rozsahu, který umožňuje měření při napětí UCC od 5V do 15V. Zapojení stabilizovaného zdroje je
nakresleno na Obr. 3.9. Zanedbáme-li zde proud tekoucí vývodem „pot“ stabilizátoru, bude na
tomto vývodu napětí dané dělicím poměrem rezistoru R1 a nastavené hodnoty odporu
potenciometru POT. Stabilizátor LM 317T udržuje konstantní hodnotu napětí mezi vývody „Uout“
a „pot“, takže výsledné výstupní napětí stabilizovaného zdroje je určeno nastavenou hodnotou
potenciometru.


Obr. 3.10. Celkové schéma zapojení přípravku
27

3.3 ZADÁNÍ
a) Prozkoumejte činnost astabilního klopného obvodu s časovačem 555.
b) Změřte a vyhodnoťte závislost kmitočtu výstupního napětí astabilního klopného obvodu se
zapojenou a odpojenou diodou D na napájecím napětí UCC v rozsahu 5 až 15V.
c) Prozkoumejte činnost monostabilního klopného obvodu s časovačem 555.
d) Ověřte funkci generátoru pilovitého průběhu tvořeného časovačem 555.
e) Prozkoumejte činnost generátoru šířkově modulovaného pulsu.
3.4 POKYNY K ZADÁNÍ
K bodu a) Na osciloskopu sledujte průběhy napětí uC na kondenzátoru Ca a výstupní napětí uO
astabilního klopného obvodu jednak s odpojenou, jednak se zapojenou diodou D (spínač S1). Oba
případy zaznamenejte za jinak shodných podmínek. Posuďte, která z obou dob - nabíjení či vybíjení
kondenzátoru Ca - je připojením diody ovlivněna a jak.
K bodu b) Osciloskopem sledujte průběh výstupního napětí uO a z osciloskopu odečtěte
kmitočet kmitů AKO s odpojenou a zapojenou diodou D pro napájecí napětí UCC v rozmezí 5 V až
15 V. Naměřené hodnoty srovnejte s výpočtem podle přibližného i přesnějšího vztahu a
závislosti vyneste do společného grafu.
K bodu c) Na vstup monostabilního klopného obvodu přiveďte výstupní napětí uO astabilního
klopného obvodu (spínač S2 k MKO). Na osciloskopu pozorujte vstupní a výstupní napětí
monostabilního klopného obvodu a také napětí na kondenzátoru C. Je vhodné synchronizovat
osciloskop signálem na výstupu astabilního klopného obvodu uO. Vyzkoušejte spouštění MKO
z AKO s odpojenou i se zapojenou diodou D a oba oscilogramy analyzujte a vytiskněte. Změřte
dobu trvání dočasně stabilního stavu MKO pro oba případy a porovnejte s výpočtem.
K bodu d) V zapojení pro generování pilovitého průběhu zobrazte na osciloskopu průběh napětí
uC kondenzátoru Ca nabíjeného ze zdroje konstantního proudu při zvoleném napájecím napětí.
Sledujte také napětí u0 na výstupu a tímto průběhem osciloskop synchronizujte. Oscilogram
vytiskněte.
K bodu e) Funkci generátoru šířkově modulovaných pulsů prozkoumejte při napájecím napětí
UCC = 15 V. Kladné pilovité modulační napětí s frekvencí několikrát nižší než frekvence kmitů
AKO dle bodu 1) a s maximální hodnotou nižší než UCC přiveďte z nf generátoru na označené
zdířky přípravku a připojte přepínačem S3 na vstup 5 – CONTROL časovače. Osciloskop
synchronizujte modulačním signálem um a zaznamenejte a vytiskněte průběhy um a uO. Dbejte, aby
modulační napětí nepokleslo pod nulovou hodnotu a nepřesáhlo hodnotu napájecího napětí,
jinak hrozí nebezpečí poškození obvodu!
3.5 KONTROLNÍ OTÁZKY
a) Vysvětlete funkci časovacího obvodu 555.
b) Vysvětlete zapojení monostabilního a astabilního obvodu s časovačem 555.
c) Čím je dána doba trvání dočasně stabilního stavu u MKO a AKO s časovačem 555?
d) Jaký má vliv připojení diody D podle Obr. 3.5 na vlastnosti astabilního klopného obvodu?
e) Vysvětlete funkci generátoru pilovitého signálu.
f) Odvoďte výraz pro velikost výstupního napětí stabilizovaného zdroje při zadaných hodnotách
výstupního napětí stabilizátoru (tj. napětí mezi jeho vývody „Uout“ a „pot“) a hodnotách odporů
děliče složeného z rezistoru R1 a potenciometru.
28


Datum měření: 2007 555 BICT
Den (vyznačte X): Po Út St Čt Pá
Hodina (vyznačte X): 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Příjmení a jméno:


!!! Domácí příprava !!!

Odpovědi na kontrolní otázky c) a d):

c)











d)












29


Datum měření: 2007 LM311 BICT
Den (vyznačte X): Po Út St Čt Pá
Hodina (vyznačte X): 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Příjmení a jméno:

4 KOMPARAČNÍ ZESILOVAČ LM311
4.1 TEORETICKÉ POZNATKY
V elektrotechnické praxi se často setkáváme s případem, kdy je nutné srovnávat velikosti dvou
napětí, např. když je potřeba zjistit informaci o vzájemné velikosti dvou fyzikálních veličin,
převedených na napětí. K tomuto účelu používají komparátory – viz [ 1 ]. Výstupní signál
komparátoru nabývá dvou hodnot podle toho, je-li napětí na jednom vstupu komparátoru větší nebo
menší než na druhém. Komparátor je možno využít např. k indikaci průchodu signálu nulou (nebo
jinou úrovní), ke zjištění, zda měřená veličina leží uvnitř zadaného intervalu hodnot, dále
v klopných obvodech nebo v generátorech tvarových kmitů.
Typický komparátor obsahuje aktivní prvek – zesilovač, který je doplněn několika dalšími
součástkami. Zesilovače vyráběné pro tyto účely se nazývají komparační zesilovače. Vnitřní
struktura integrovaných komparačních zesilovačů je podobná vnitřní struktuře operačních
zesilovačů, je však přizpůsobena požadavkům, které na tyto prvky klade provoz v komparátorech.
Takovými požadavky bývají např. úrovně výstupního napětí v obou stavech výstupu, které bývají
takové, aby umožnily přímou návaznost číslicových obvodů, rychlost reakce na přechod vstupního
napětí přes rozhodovací úroveň atd. Vstupním obvodem integrovaných komparačních zesilovačů je
obvykle diferenční zesilovač, který pro svou činnost potřebuje určitý vstupní proud. Velikost tohoto
proudu bývá nepatrná, takže v běžných případech můžeme předpokládat, že vstupy téměř nezatěžují
obvody, k nimž jsou připojeny. Pro správnou funkci komparačních zesilovačů je ale nutno zajistit,
aby se napětí na jejich vstupech udržovalo v určitém rozsahu, daném konstrukcí těchto prvků. Tento
pracovní rozsah vstupních napětí bývá podobně jako u operačních zesilovačů ohraničen hodnotami
napájecích napětí, přesněji řečeno bývá o něco užší, aby byly zajištěny vhodné pracovní podmínky
vstupních tranzistorů.
Přestože jsou vstupní obvody komparačních zesilovačů zpravidla uspořádány symetricky,
způsobují výrobní nedokonalosti a další vlivy, že výstupní napětí mění svou úroveň při určitém
malém, ale nenulovém napětí mezi vstupy, které se v katalozích označuje jako vstupní zbytkové
napětí nebo vstupní napěťový ofset. Komparační zesilovače mívají vyvedeny vhodné vnitřní uzly,
aby bylo možno ofset vykompenzovat. Není-li třeba kompenzaci provádět, je u komparačního
zesilovače LM 311 vhodné pro zmenšení citlivosti na rušivé signály příslušné vývody vzájemně
propojit.
Výstup komparačního zesilovače LM 311 je uspořádán způsobem, který přibližně naznačen na
Obr. 4.1 (zapojení je ve skutečnosti složitější, ale pro praktické použití s představou podle Obr. 4.1
vystačíme). Vstupní zesilovač má na svém výstupu nakreslen symbol inverze; je-li výstupní
tranzistor zapojen obvyklým způsobem (s uzemněným emitorem), představuje další inverzi, takže
symboly invertujícího a neinvertujícího vstupu nakreslené ve vstupním zesilovači platí i pro obvod
jako celek.

30




1 - společná zem GND,
2 - neinvertující vstup,
3 - invertující vstup,
4 - napájení Ucc–,
5, 6 - kompenzace ofsetu,
7 - výstup, 8 - napájení Ucc+



Obr. 4.1. Schéma a zapojení vývodů komparačního zesilovače LM 311
Vstupní diferenční zesilovač má výstup s charakterem zdroje proudu, který je připojen k bázi
výstupního tranzistoru. Kolektor i emitor tohoto tranzistoru je vyveden z pouzdra. Uzemníme-li
emitor, můžeme prvek pokládat za obvod, který má výstup s tzv. volným (otevřeným) kolektorem.
Pro získání výstupního napětí s určitým rozkmitem musíme k takovému výstupu připojit pracovní
rezistor, který je druhým vývodem připojen ke zdroji kladného napájecího napětí. Je-li tranzistor
sepnutý, je výstupní napětí nízké, v opačném případě dodává rezistor na výstup kladné napětí. Je
však rovněž možné připojit kolektor tranzistoru k přívodu kladného napájecího napětí a k emitoru
připojit uzemněnou zátěž. Napájecí napětí může být symetrické nebo i nesymetrické. Poněkud
nepříjemné je, a to zejména při nesymetrickém napájení, že na vstupy není dovoleno přivést
zápornější napětí než je hodnota záporného napájecího napětí, a že tedy ke vstupu komparátoru při
napájení z jediného zdroje nelze přímo připojit zdroj střídavého napětí. Přesto se zapojení
s nesymetrickým napájením z jednoho napájecího zdroje používá velmi často.
Zapojení výstupu s charakterem volného kolektoru má určité výhody. Umožňuje snadné
připojení navazujících obvodů s různým napájecím napětím, které může být odlišné od napájecího
napětí komparačního zesilovače. Dále je možno výstupy několika zesilovačů přímo propojit pro
získání tzv. montážního součinu jednotlivých výstupních signálů. Ve srovnání s obvody s
dvojčinným výstupem však má známou nevýhodu pomalejšího přechodu do úrovně H, kdy se
kapacitor CP představující výstupní kapacitu obvodu, montážní kapacitu a vstupní kapacitu zátěže
nabíjí proudem tekoucím pracovním rezistorem Rp. Typický průběh výstupního napětí takového
obvodu je nakreslen na Obr. 4.2.

Obr. 4.2. Model výstupu obvodu s volným kolektorem a typický průběh výstupního napětí
Zahradí-li se výstupní tranzistor, vzrůstá napětí u2 exponenciálně k hodnotě UCC. Časová
konstanta je RPCP, takže zrychlení lze při dané kapacitě CP dosáhnout zmenšením odporu RP. To
však znamená větší odběr z napájecího zdroje během doby, kdy je tranzistor sepnut, takže odpor RP
můžeme zmenšovat jen v omezeném rozsahu. Pokles napětí při sepnutí tranzistoru bývá mnohem
31

rychlejší, protože výstupní tranzistory bývají dimenzovány na značně větší proudy, než jaké jsou
přijatelné v ustáleném stavu.
Zapojení komparátoru s obvodem LM311 při symetrickém napájení je nakresleno na Obr. 4.3.
Jeho funkci si vysvětlíme na převodní charakteristice nakreslené na Obr. 4.4. Je-li na vstupu
dostatečně vysoké vstupní napětí u1, je výstupní tranzistor sepnutý, takže na výstupu je záporné
napájecí napětí UCC–. Na neinvertujícím vstupu (vývod 2) je pak záporné napětí U1LH dané děličem
složeným z rezistorů R1, R2. Snižujeme-li vstupní napětí, zůstává stav obvodu beze změny, dokud
toto napětí nepoklesne pod napětí na neinvertujícím vstupu. Při dalším poklesu vstupního napětí
přechází výstupní tranzistor do stavu zahrazení a výstupní napětí vzroste, takže vzroste i napětí na
neinvertujícím vstupu. Je-li odpor RP dostatečně malý proti odporům v děliči, můžeme úbytek
napětí na něm zanedbat. Napětí na výstupu je pak rovno kladnému napájecímu napětí UCC+. Na
neinvertujícím vstupu je potom kladné napětí U1HL. Výstupní napětí pak zůstává nezměněno, dokud
vstupní napětí nevzroste nad tuto hodnotu.
Hodnoty vstupního napětí, při nichž dochází ke změně stavu komparátoru, jsou určeny vztahy:
-
+= CCLH URR
RU
21
2
1 ( 4.1 )
+
+= CCHL URR
RU
21
2
1 ( 4.2 )
Vztah ( 4.2 ) ovšem platí jen za předpokladu, že při zahrazeném výstupním tranzistoru
komparačního zesilovače je úbytek napětí na rezistoru RP zanedbatelný.

Obr. 4.3. Zapojení komparátoru s obvodem LM311 při symetrickém napájení

Obr. 4.4. Převodní charakteristika obvodu z Obr. 4.3
Úrovně napětí U1LH a U1HL se nazývají rozhodovací úrovně a jejich rozdíl určuje velikost
napěťové hystereze komparátoru UH.
32

Základní zapojení astabilního klopného obvodu s komparačním zesilovačem je na Obr. 4.5. Na
výstupu obvodu je signál s pravoúhlým průběhem, se střídou velmi blízkou 1:1. Průběh napětí v
obvodu je patrný z Obr. 4.5.

Obr. 4.5. Astabilní klopný obvod
Předpokládejme, že na výstupu je kladné napětí blízké napájecímu napětí. Kondenzátor C se
nabíjí z výstupu komparátoru přes rezistor R tak dlouho, dokud napětí na něm nedosáhne stejné
velikosti jaká je na neinvertujícím vstupu U1HL. Pak se napětí na výstupu komparátoru skokem
změní z kladného na záporné a kondenzátor C se vybíjí (nabíjí na záporné napětí) tak dlouho, dokud
nedosáhne napětí U1LH. Celý děj se cyklicky opakuje a na výstupu komparátoru je signál s
pravoúhlým průběhem a s rozkmitem od kladného do záporného výstupního napájecího napětí.
Kmitočet výstupního napětí astabilního klopného obvodu je dán odporem R, kapacitou C a
poměrem odporů R1 a R2.
Napětí na výstupu generátoru z Obr. 4.5 je bipolární (nabývá kladných i záporných hodnot).
Není proto vhodné pro přímé připojení ke vstupům číslicových obvodů. Není však složité upravit
generátor tak, aby toto připojení bylo možné. Je nutné emitor výstupního tranzistoru připojit na zem
a rozhodovací úrovně posunout tak, aby byly obě kladné. Toho se snadno dosáhne připojením
dalšího rezistoru mezi neinvertující vstup komparačního zesilovače a přívod kladného napájecího
napětí. V tomto případě budou hodnoty na vstupech zesilovače vždy kladné, takže odpadne potřeba
použít záporný napájecí zdroj. Vývod č. 4 zesilovače bude pak možno uzemnit.
Pokud nahradíme pasivní integrační článek RC aktivním integračním článkem, kde je
kondenzátor C nabíjen konstantním proudem, bude na něm napětí s trojúhelníkovým průběhem.
Toho se využívá v generátorech tvarových kmitů.
4.2 POPIS PŘÍPRAVKU
Zapojení přípravku je nakresleno na Obr. 4.6. Celý přípravek je napájen symetrickým napětím
± 15V . Napájení komparačního zesilovače je přivedeno přes ochranný obvod, na jehož výstupu je
napětí ± 12V , tzn. že samotný komparační zesilovač není napájen napětím ± 15V , ale napětím
± 12V . Komparační zesilovač má v přípravku vyveden invertující a neinvertující vstup. Tyto
vstupy je možno propojit pomocí zdířek s dalšími obvody v přípravku a vytvořit tak požadované
zapojení podle zadání. Rezistory R1 až R4 umožňují připojením k neinvertujícímu vstupu (vývod
č. 2) nastavení požadované velikosti hystereze komparátoru. Invertující vstup komparačního
zesilovače (vývod č. 3) je možno podle potřeby buď uzemnit, nebo na něj přivést napětí
z generátoru. Pro všechna měření mimo měření funkčního generátoru je využíván pouze výstup
OUT2.
33

Připojením výstupu integrátoru (střed děliče R6 a R7) a rezistoru R3 na neinvertující vstup
komparačního zesilovače (vývod č. 2) a uzemněním invertujícího vstupu komparačního zesilovače
(vývod č. 3) zapojíme obvod jako jednoduchý generátor tvarových kmitů. Na výstupu
komparačního zesilovače (výstup OUT2) můžeme nyní pozorovat napětí obdélníkového průběhu,
zatímco na výstupu integrátoru (výstup OUT3) je napětí s trojúhelníkovým průběhem. Připojíme-li
na výstup komparačního zesilovače také dolní propust, která přenese pouze první harmonickou
složku z obdélníkového průběhu napětí, dostaneme na jejím výstupu (výstup OUT1) napětí se
sinusovým průběhem.

Obr. 4.6. Schéma zapojení přípravku
4.3 ZADÁNÍ
a) Zobrazte na osciloskopu převodní charakteristiku komparátoru pro dvě různě velké hystereze
komparátoru. Porovnejte její průběh s teoretickými předpoklady.
b) Zakreslete časové průběhy vstupního a výstupního napětí komparátoru pro dvě velikosti
hystereze komparátoru z bodu 1).
c) Prozkoumejte vznik zákmitů na výstupu komparátoru a ověřte možné odstranění těchto zákmitů
zavedením hystereze komparátoru.
d) Změřte časovou konstantu RPCP výstupního obvodu komparátoru.
e) Zakreslete průběhy napětí na výstupech OUT1 až OUT3 generátoru tvarových kmitů.
4.4 POKYNY K ZADÁNÍ
K bodu a) Osciloskop přepněte do režimu zobrazení X-Y. Před měřením nastavte
předpokládanou citlivosti zesilovačů X a Y osciloskopu. Potřebných velikostí hystereze dosáhnete
zapojením rezistorů R2 a R3 a poté R2 a R4 k neinvertujícímu vstupu komparátoru (vývod č. 2).
34

Vstupní harmonické napětí přivedené z generátoru přiveďte na invertující vstup komparátoru
(vývod č. 3). Výstupní napětí generátoru je nutno nastavit dostatečně velké (okolo 4 V), aby
procházelo oběma rozhodovacími úrovněmi, s kmitočtem např. 1 kHz. Z převodní charakteristiky
odečtěte velikosti rozhodovacích úrovní U1LH a U1HL a porovnejte je s vypočtenými hodnotami.
K bodu b) Osciloskop nastavte pro měření s časovou základnou a zobrazte současně průběh
vstupního a výstupního napětí komparátoru pro obě velikosti hystereze z bodu a). Nastavení
generátoru zůstává stejné jako v bodě a).
K bodu c) Nyní připojte k neinvertujícímu vstupu komparátoru pouze rezistor R1 a na
invertující vstup komparátoru přiveďte z generátoru velmi malé harmonické napětí o nízké
frekvenci (např. 40 mV, 50 Hz). Na výstupu komparátoru OUT2 je napětí obdélníkového průběhu,
na jehož vzestupné a sestupné hraně dochází k zákmitům. Pro lepší synchronizaci osciloskopu je
vhodné potlačit vliv vf složek na synchronizační signál, případně také snížit citlivost
synchronizačního signálu na šum (u osciloskopu HP 54603B to jsou funkce Slope/coupling - Reject
HF a Noise On). Počet zákmitů je možno nastavit změnou výstupního napětí generátoru. Nyní
zaveďte hysterezi komparátoru připojením rezistoru R3 na neinvertující vstup komparátoru (vývod
č. 2), čímž by mělo dojít k odstranění zákmitů výstupního napětí.
K bodu d) Velikost hystereze komparátoru nastavte pomocí rezistorů R2 a R4 a na invertující
vstup komparátoru přiveďte napětí z generátoru dostatečné velikosti s kmitočtem okolo 10 kHz. Pro
měření časové konstanty RPCP využijte u osciloskopu časové lupy (u osciloskopu HP54603B je to
funkce Main/Delayed - Delayed). Další postup měření je zřejmý z Obr. 4.2 v teoretických
poznatcích.
K bodu e) Generátor tvarových kmitů realizujeme připojením výstupu integrátoru (střed děliče
R6 a R7) a rezistoru R3 na neinvertující vstup komparátoru a uzemněním invertujícího vstupu
komparátoru. Nezapomeňte připojit také na výstup komparátoru dolní propust.
4.5 KONTROLNÍ OTÁZKY
a) Vysvětlete funkci komparačního zesilovače LM 311.
b) Na čem závisí hodnoty rozhodovacích úrovní komparátoru?
c) Odvoďte výraz pro rozhodovací úroveň U1HL za předpokladu, že nelze zanedbat úbytek napětí na
rezistoru RP způsobený proudem děliče R1, R2. Bude hodnota odporu tohoto rezistoru
ovlivňovat rozhodovací úro