Компаратор что это

Компаратор

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator — сравнивающее устройство [1] ) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Одно напряжение сравнения двоичного компаратора делит весь диапазон входных напряжений на два поддиапазона. Двоичный логический сигнал (бит) на выходе двоичного компаратора указывает в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного и выходного каскадов:

При подаче эталонного напряжения сравнения на инвертирующий вход, входной сигнал подаётся на неинвертирующий вход и компаратор является неинвертирующим (повторителем, буфером).

При подаче эталонного напряжения сравнения на неинвертирующий вход, входной сигнал подаётся на инвертирующий вход и компаратор является инвертирующим (инвертором).

Несколько реже применяются компараторы на основе логических элементов, охваченных обратной связью (см., например, триггер Шмитта — не компаратор по своей природе, но устройство с очень схожей областью применения).

При математическом моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить, если принять доопределение, что, в точке неустойчивого равновесия выходное напряжение компаратора остаётся в предыдущем состоянии.

Содержание

Реализации

В аналоговой схемотехнике компаратор обычно реализуется на базе операционного усилителя, охваченного резистивной положительной обратной связью.

Компараторы с двумя и более напряжениями сравнения

Строятся на двух и более дифференциальных усилителях.

Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трёхвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает быстрых переключений состояния выхода, и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны опреационные усилители (как правило — +5В или 0В).

Троичный компаратор

Многовходовые компараторы

Входной каскад параллельных АЦП прямого преобразования является многоуровневым компаратором. В нём применяются напряжений сравнения, где n — количество битов выходного кода.

Промышленные компараторы

Пример широко известных компараторов: LM311 (российский аналог — КР554СА3), LM339 (российский аналог — К1401СА1). Эта микросхема часто встречается, в частности, на системных платах ЭВМ, а также в системах управления ШИМ контроллеров в блоках преобразования напряжения (например в компьютерных блоках питания с системой питания ATX). Подробнее о них можно узнать из книги «Электроника», О. В. Миловзоров, И. Г. Панков — 2004; «Электронные приборы и усилители», Ф. И. Вайсбурд, Г. А. Панаев, Б. Н. Савельев — 2005

Источник

Компараторы, как они работают.

Общие сведения.

Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.

Процессы переключения компараторов.

Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый «дребезг»).
Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС.
Её можно так же ввести в схему компаратора при необходимости, например, как изображено на рисунке ниже.

Рисунок 3.
Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).

На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б).
Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;

Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью «дребезг» выходного напряжения.

Для того, кто желает более полного и подробного знакомства с компараторами, рекомендую прочитать статью Б. Успенского в ВРЛ № 97 стр.49.

Источник

Компаратор принцип работы

Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения каких-либо величин (от лат. comparare – «сравнивать»). Является операционным усилителем с большим коэффициентом умножения. Имеет входы: прямой и инверсный. При необходимости опорный сигнал может быть подключен к любому из них.

Как работает компаратор?

На один из входов подается постоянный сигнал, который называется опорным. Он используется как образец для сравнения. Ко второму поступает испытуемый сигнал. На выходе стоит транзистор, меняющий свое состояние в зависимости от условий:

Соответственно, выходное напряжение меняется скачком от минимума до максимума, или наоборот.

Применение компаратора

Используются в схемах измерения электрических сигналов и в аналогово-цифровых преобразователях. В логических цепях работают элементы «или» и «не», также являющиеся компараторами. Соответственно, использование этого компонента не ограничивается конкретными примерами, поскольку он применяется повсеместно.

Стоит отметить, что устройство сравнения можно сделать из любого операционного усилителя, но не наоборот. Коэффициент усиления компаратора достаточно высок. Соответственно, его входы очень чувствительны к разнице напряжений между ними. Расхождение в несколько милливольт значительно изменяет напряжение выхода.

Таким образом, компаратор позволяет наблюдать минимальные колебания уровней входных напряжений. Это делает его незаменимым элементом схем сравнения и измерительных приборов высокой точности:

Принцип действия аналогового компаратора

Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный. При медленном изменении входного сигнала, происходит многократное переключение компаратора за малый отрезок времени. Такое явление называют «электронным дребезгом». Его наличие значительно снижает эффективность сравнения. Поскольку часто повторяющиеся смены состояния выхода, вводят оконечный транзистор в состояние насыщения.

Для уменьшения эффекта «электронного дребезга», в схему вводят ПОС – положительную обратную связь. Она обеспечивает гистерезис – небольшую разницу между уровнем напряжения включения и отключения. Некоторые компараторы имеют встроенную ПОС, что уменьшает количество дополнительных элементов построения конструкции.

Особенности цифрового компаратора

Цифровой компаратор – это однобитный аналогово-цифровой преобразователь. Напряжение выхода представляет либо логический «0», либо «1». На вход может быть подан как аналоговый, так и цифровой сигнал. Устройство используется в качестве формирователя импульсов для сопряжения схем датчиков и устройств отображения. Может применяться для анализа спектра звукового или светового сигнала. Компаратор – это также логические элементы «или» и «не», используемые в вычислительной технике.

Теоретически при незначительно малых колебаниях уровня входного сигнала, может возникать состояние неопределенности выхода. На практике равенство измеряемого и опорного напряжений не наступает. Поскольку компаратор имеет ограниченный коэффициент усиления или положительную обратную связь.

Компаратор-микросхема

Промышленность выпускает компараторы в виде интегральных схем. Их использование позволяет создавать компактные приборы, с минимумом навесных элементов. Также преимущество малогабаритных деталей в незначительной длине соединительных проводников. В условиях повышенного электромагнитного излучения они являются приемными антеннами для всевозможных электрических помех.

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

Пример практического применения компаратора

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

Опорное напряжение задается резисторами RV1 и R2. При этом, RV1 служит регулятором чувствительности конструкции. Индикация реализована на светодиоде D1. Датчиком является элемент LDR1, который меняет омическое сопротивление в зависимости от освещенности. Собственно компаратор представлен операционным усилителем LM324. Это простое устройство демонстрирует то, как работает компаратор на практике.

Компараторы массы: понятие

Компаратор массы это устройство, предназначенное для уточнения разности значений массы гирь при контроле стандартов массы и веса, а также, для прецизионного взвешивания. Наиболее точные компараторы массы способны взвесить любой образец и сравнить его с иным, подобным ему. Происходит это на уровне атомов. Необходимость в таких устройствах возникает по причине несовершенства эталонных образцов мер веса и объема жидкости.

Типы компараторов

– компаратор для сравнения разнополярных сигналов;

– компаратор для сравнения однополярных сигналов.

Источник

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Похожие записи:

4 комментария

Спасибо огромнейшее! Для меня как новичка, написано более чем доступно.

Первую половину статьи необходимо поместить за второй, чтоб не отпугнуть новичков » непонятными» структурными схемами компаратора, а то заходишь на сайт, с целью в доступном изложении узнать о компараторах, а тут формулы научные термины (хоть словарь Даля применяй). Прочитав пару строк и поняв, что начинает плавится мозг, закрываешь и ищешь другой…, а тут все изложено в доступной форме не только для «_АКАМЕДИКОВ!» благодарность автору.

«Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.»

Это не так. Напряжение смещения является причиной того, что при замкнутых между собой прямом и инверсном входах через плечи входного дифференциального каскада протекают разные токи, хотя в идеале должны быть одинаковые. Напряжение смещения по определению представляет собой такую разность напряжений на входах, при которой токи в этих плечах становятся равными. Даже если вам попадется экземпляр компаратора у которого чисто случайно напряжение смещения окажется равным 0, то это никак не избавит его от того «что выходной транзистор не полностью открывается» при малых дифференциальных входных напряжениях. Причиной этого является не напряжение смещения, а конечный коэффициент усиления схемы. В некоторых компараторах для борьбы с логической неопределенностью на выходе вводят внутреннюю ПОС для образования гистерезиса, но не в обсуждаемых здесь микросхемах.

А вот выдержка из datasheet от TI на LM339:
«Overdrive voltage is the differential voltage produced between the positive and negative inputs of the comparator over the offset voltage. To make an accurate comparison, the overdrive voltage (V OD ) must be higher than the input offset voltage (V IO ). Overdrive voltage can also determine the response time of the comparator, with the response time decreasing with increasing overdrive.»

Отсюда видно что для гарантированно правильного срабатывания компаратора входной импульс должен иметь перепад больше (достаточно 1 мВ превышения, поскольку типичный коэффициент усиления для этих микросхем по напряжению порядка 50 В/мВ) чем напряжение смещения (которое гарантируется справочными данными не больше 9мВ, а для версии «A» не более 4мВ) т. к. из входного импульса как-бы вычитается напряжение смещения и дальше схема усиливает именно эту разность, а значит входной импульс будет однозначно определять выходной сигнал только если он по модулю превышает смещение. И еще при этом чем больше перепад тем быстрее появится отклик на выходе. Для входных импульсов 5мВ и 100мВ разница в задержке выходного сигнала может составлять 1/0,5мкс для положительного/отрицательного фронта.

Если пишете что с однополярным источником питания, то почему вводите в заблуждение и указываете неправильную маркировку? + — это двуполярное питание. Если питание однополярное то нужно писать + и значок земли.

Источник

Зачем нужен цифровой и аналоговый компаратор

Для управления электронными схемами применяются различные устройства, которые помогают настраивать и разветвлять сигналы. Для сравнения двух разных импульсов часто используется компаратор с однополярным питанием.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Фото – УГО компаратора

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Фото – Компаратор

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Фото – простой компаратор

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Видео: компараторы

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.

Фото – схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

Фото – компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Источник

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компараторы с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием:

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Источник

Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

При разработке электронных схем зачастую надо сравнить уровень двух напряжений. Для этого используется такое устройство, как компаратор. Название узла восходит к латинскому comparare, или, скорее, к английскому to compare – сравнивать.

Что такое компаратор напряжения

Компаратором в общем случае называется устройство, имеющее два входа для подачи сравниваемых величин (напряжений) и выход для результата сравнения. Компаратор имеет два входа для подачи сравниваемых параметров – прямой и инверсный. На выходе устанавливается логическая единица при превышении напряжения прямого входа над инверсным и ноль – если наоборот. Если при положительной разности между инверсным и прямым входом устанавливается единица, а в противоположной ситуации – ноль, то такой компаратор называется инвертирующим.

Принцип работы компаратора

Компаратор удобно строить на операционном усилителе (ОУ). Для этого непосредственно используются его свойства:

Работу ОУ в качестве компаратора можно рассмотреть при такой схеме включения:

Пусть имеется ОУ с коэффициентом усиления 10000, напряжение питания двуполярное, + 5 В и минус 5 В. Делителем на инвертирующем входе установлен опорный уровень ровно 0 вольт, на прямом входе с движка потенциометра снимается минус 5 вольт. Операционный усилитель должен усилить разницу в 10000 раз, теоретически на выходе должно появиться напряжение минус 50000 вольт. Но такого напряжения операционнику взять негде, и он создает максимум возможного – напряжение питания, минус 5 вольт.

Если начать поднимать напряжение на прямом входе, ОУ будет стараться выставить разность напряжений между входами, умноженную на 10000. Это ему удастся, когда входное напряжение приблизится к нулю и станет равным примерно минус 0,0005 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения на положительном входе, выходное будет подниматься до нуля и выше, и при напряжении +0,0005 вольт станет равным +5 В и дальше не поднимется – некуда. Таким образом, при прохождении входным напряжением уровня нуля (точнее, минус 0,0005 вольт — + 0,0005) произойдет скачок выходного напряжения от минус 5 вольт до +5 вольт. Иными словами, пока напряжение на прямом входе ниже, чем на инвертирующем, на выходе компаратора устанавливается ноль. Если выше – единица.

Интерес представляет участок разности уровня на входах от минус 0,0005 вольт до + 0,0005. В теории при его прохождении произойдет плавный подъём от отрицательного напряжения питания до положительного. На практике этот диапазон очень узок, и из-за наводок, помех, нестабильности напряжения питания и т.д. при примерном равенстве напряжений на входах будет происходить хаотичное срабатывание компаратора в обе стороны. Чем ниже коэффициент усиления ОУ, тем это окно нестабильности шире. Если компаратор управляет исполнительным механизмом, то это вызовет его срабатывание в такт (щелканье реле, хлопанье клапана и т.п.), что может привести к его механической поломке или перегреву.

Чтобы этого избежать, создается неглубокая положительная обратная связь включением резистора, указанного штриховой линией. Это создает небольшой гистерезис, смещая пороги переключения при прохождении напряжения вверх и вниз относительно опорного. Например, вверх компаратор будет переключаться при 0,1 вольт, а вниз – ровно при нуле (зависит от глубины обратной связи). Это исключит окно нестабильности. Номинал этого резистора может быть от нескольких сотен килоом до нескольких мегаом. Чем ниже сопротивление, тем больше разница между порогами.

Также имеются специализированные микросхемы компараторов. Например, LM393. В таких микросхемах имеется быстродействующий операционный усилитель (или несколько), может быть установлен встроенный делитель, создающий опорное напряжение. Ещё одно отличие таких компараторов от устройств, построенных на ОУ общего применения – многим из них требуются однополярный источник питания. Большинству операционников нужно двуполярное напряжение. Выбор типа микросхемы производится при разработке устройства.

Особенности цифровых компараторов

Компараторы применяются и в цифровой технике, хотя это звучит, на первый взгляд, парадоксально. Ведь здесь имеется всего два уровня напряжения – единица и ноль. И сравнивать их бессмысленно. Зато можно сравнить два двоичных числа, в которые можно преобразовать и любые аналоговые величины (включая напряжение).

Пусть имеется два двоичных слова одинаковой длины в битах:

Они считаются равными по значению, если все биты поразрядно равны:

Если же хотя бы один бит отличается, то числа неравны. Большее число определяется поразрядным сравнением начиная со старшего бита:

Сфера применения компаратора широка. На нём, например, можно построить пороговое реле. Для этого нужен датчик, преобразующий любую величину в напряжение. Такой величиной могут быть:

Потенциометром можно устанавливать уровень срабатывания компаратора. Выходной сигнал через ключ выдается на индикатор или исполнительный механизм.

Если увеличить гистерезис, то компаратор может работать в качестве триггера Шмитта. При подаче на вход медленно изменяющегося напряжения, на выходе получится дискретный сигнал с крутыми фронтами.

Два элемента могут быть соединены в двупороговый компаратор, или компаратор окна.

Здесь пороговое напряжение задается раздельно для каждого компаратора – для верхнего на прямом входе, для нижнего на инверсном. Свободные входы объединены, на них подается измеряемое напряжение. Выходы соединены по схеме «монтажное ИЛИ». При выходе напряжения за установленный верхний или нижний предел, один из компараторов выдает на выходе высокий уровень.

Из нескольких элементов собирается многоуровневый компаратор, который можно использовать, как линейный индикатор напряжения, или величину, которая преобразована в напряжение. Для четырех уровней схема будет такая:

В этой схеме на вход каждого элемента подается своё опорное напряжение. Инвертирующие входы соединены вместе, на них приходит измеряемый сигнал. При достижении уровня срабатывания загорается соответствующий светодиод. Если излучающие элементы расположить в линейку, получится световая полоса, длина которой изменяется в соответствии с уровнем поданного напряжения.

Эта же схема может применяться в качества аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Он преобразует входное напряжение в соответствующий двоичный код. Чем больше элементов входит в АЦП, тем больше разрядность, тем точнее преобразование. На практике кодом-линейкой пользоваться неудобно, и он преобразовывается в привычный код с помощью шифратора. Шифратор можно построить на логических элементах, воспользоваться готовой микросхемой или применить ПЗУ с соответствующей прошивкой.

Сфера применения компараторов в профессиональной и любительской схемотехнике разнообразна. Грамотное применение этих элементов позволяет решать широкий круг задач.

Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Как работает микросхема TL431, схемы включения, описание характеристик и проверка на работоспособность

Что такое трансформатор, его устройство, принцип действия и назначение

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Источник

Аналоговые компараторы

Название компараторы произошло от латинского compare – сравнивать. На этом принципе работают приборы, в которых измерение производится методом сравнения с эталоном. Например, равноплечие весы или потенциометры электроизмерительные.

По принципу действия различают электрические, пневматические, оптические и даже механические компараторы. Последние применяются для поверки концевых мер длины. Впервые компаратор для проверки концевых мер был применен в Париже Ленуаром в 1792 году, о чем есть статья в энциклопедии Брокгауза и Эфрона.

Интегральные компараторы. Принцип действия и разновидности

В настоящее время компараторы используются в основном в интегральном исполнении. Мало кому придет в голову собирать компаратор из дискретных транзисторов. Более того, компараторы используются как составная часть некоторых микросхем.

Например, интегральный таймер NE555 содержит целых два компаратора на входах, чем, собственно, и достигается вся прелесть его работы. Кроме того, многие современные микроконтроллеры также имеют встроенные компараторы. Но, независимо от исполнения, принципы работы компараторов совершенно одинаковы.

Основная функция компаратора это сравнение двух напряжений, одно из которых образцовое или опорное, а другое собственно измеряемое. Выходной сигнал компаратора может принимать лишь два значения: логический ноль, и логическая же единица, но не может изменяться линейно, как у операционного усилителя.

На выходе компараторов, как правило, имеется выходной транзистор с открытым коллектором и эмиттером. Поэтому его можно подключить либо по схеме с ОЭ, либо эмиттерным повторителем, в зависимости от требований конкретной схемы, что и показано на рисунке 1.

На рисунке 1а показано включение выходного транзистора по схеме с общим эмиттером. В этом случае к выходу каскада возможно подключение ТТЛ и КМОП – логики с напряжением питания +5В. Если же КМОП – логика питается от напряжения 15В, то верхний по схеме вывод резистора 1КОм следует подключить к шине питания +15В.

Как проверить компаратор, жив или не жив?

Если в схему показанную на рисунке 1а последовательно с резистором R запаять светодиод, подключив его анодом к источнику питания +5В, а на входы с помощью резисторов подать напряжения, то изменяя эти напряжения хотя бы с помощью переменных резисторов, можно заставить мигать светодиод. В какой последовательности подавать опорное и входное напряжения можно узнать дальше. Пусть такая схема для проверки будет маленьким практическим заданием.

Логика работы компаратора

Функциональная схема компаратора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема компаратора

При таком количестве входов и входных сигналов возможны два варианта. В первом случае, показанном в левой части рисунка, опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а входное на неинвертирующий. Если при этом входное напряжение превысит опорное, то на выходе компаратора появится высокий уровень (лог. 1). В противном случае будем иметь логический ноль.

Во втором варианте, показанном в правой части рисунка, опорное напряжение подается на прямой вход, а входное на инвертирующий. В этом случае если входное напряжение больше, чем опорное на выходе компаратора логический ноль, в противном случае единица. На рисунке 2 все эти умозаключения показаны в виде математических формул.

Но тут у внимательного читателя может возникнуть справедливый вопрос: «Посмотрите на рисунок 1, сколько там выходов! Так о каком же из них идет речь, какой тут ноль и где здесь единица?» В этом случае речь идет о базе выходного транзистора, считается, что это выход операционного усилителя, на который подаются входные сигналы. А уж выходной транзистор, как было указано в комментарии к рисунку 1, можно включить любым способом.

Некоторые характеристики аналоговых компараторов

При использовании компараторов нужно учитывать их характеристики, которые можно разделить на статические и динамические. Статические параметры компаратора это те, которые определяются в установившемся режиме.

Прежде всего, это пороговая чувствительность компаратора. Она определяется как минимальная разность входных сигналов, при которой на выходе появляется логический сигнал.

Кроме входных и выходных многие компараторы имеют выводы для подачи напряжения смещения Uсм. С помощью этого напряжения осуществляется необходимое смещение передаточной характеристики относительно идеального положения.

Одним из основных параметров компаратора является гистерезис. Объяснить это явление проще всего, используя пример с обычным реле. Пусть рабочее напряжение катушки, например, 12В, тогда именно при нем произойдет срабатывание реле. Если после этого постепенно убавлять напряжение питания катушки, то отпускание реле произойдет, например, при напряжении 7В. Вот эта разница в целых 5В для данного реле и есть гистерезис. Но повторного включения реле, если напряжение так и останется на уровне 7В, не произойдет. Для этого надо напряжение поднять снова до 12В. И вот тогда…

То же самое наблюдается и у компараторов. Предположим, что входное напряжение плавно возрастает относительно опорного (сигналы поданы, как показано в левой части рисунка 2). Как только входное напряжение станет выше опорного (не менее, чем на величину пороговой чувствительности) на выходе компаратора появится логическая единица.

Если входное напряжение теперь станет плавно уменьшаться, то переход из логической единицы в логический ноль произойдет при напряжении на входе несколько ниже опорного. Разница входных напряжений при этих «выше опорного» и «ниже опорного» называется гистерезисом компаратора. Гистерезис компаратора обусловлен наличием в нем положительной обратной связи, которая призвана обеспечить подавление «дребезга» выходного сигнала при переключении компаратора.

Как устроен компаратор

Принципиальная схема на уровне транзисторов достаточно сложна, велика, не очень понятна, да практически и не нужна. Таковы особенности конструкции интегральной схемотехники, кажется, что транзисторы торчат везде, даже, где и не надо. Поэтому лучше рассмотреть упрощенную функциональную схему компаратора, которая показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная функциональная схема компаратора

На схеме показаны входной дифференциальный каскад (ДК), выходная логика и схема смещения уровней.

Входной ДК осуществляет основное усиление разностного сигнала, а также с помощью устройства смещения позволяет осуществить предпочтительное состояние на выходе, что позволяет выбрать тип логики (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП), с которым предстоит работать. Данная настройка осуществляется при помощи подстроечного резистора, подключенного к выводам «балансировка».

Компараторы со стробированием и памятью

Некоторые современные компараторы имеют стробирующий вход: сравнение входных сигналов происходит только в момент подачи соответствующего импульса. Это позволяет сравнивать входные сигналы в тот момент времени, когда это потребуется. Ну, прямо, что душеньке угодно! Упрощенная структурная схема компаратора со стробированием показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Упрощенная структурная схема компаратора

На рисунке 4а стробирование входных сигналов производится по высокому уровню на входе C. При стробировании по низкому уровню, на графическом обозначении у входа C должен быть маленький кружочек (знак инверсии).

Таким образом, сигнал стробирования есть не что иное, как разрешение сравнения. Результат сравнения может появляться на выходе только во время действия стробирующего импульса. Но некоторые модели компараторов обладают памятью (для этого достаточно всего одного триггера) и запоминают результат сравнения до прихода следующего импульса стробирования.

Длительность импульса стробирования (его фронта) должна быть достаточной для того, чтобы входной сигнал успел пройти через ДК до того, как успеет сработать ячейка памяти. Применение стробирования увеличивает помехозащищенность компаратора, поскольку помеха может изменить состояние компаратора лишь в короткое время стробирующего импульса. Часто компаратор называют одноразрядным АЦП.

Классификация компараторов

По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы общего применения, быстродействующие и прецизионные. В любительской практике чаще всего используются первые.

Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке 5.

Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.

Рисунок 5. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код

Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения.

Более подробно параметры компараторов общего назначения рассмотрим на примере широко распространенного и достаточно доступного компаратора LM311.

Компараторы серии LM311

Напряжения питания и условия работы

Как написано в Data Sheet эти компараторы имеют входные токи, в тысячу раз меньше, чем компараторы серий LM106 или LM170. Кроме того компараторы серии LM311 имеют более широкий диапазон питающих напряжений: от двухполярного ±15В, как у операционных усилителей, до однополярного +5…15В. Такой широкий диапазон питания позволяет использовать компараторы серии LM311 совместно с операционными усилителями, а также с различными сериями логических микросхем: ТТЛ, КМОП, ДТЛ и другими.

Полными отечественными аналогами компаратора LM311 являются 521СА3, 554СА3 и некоторые другие. При замене не требуется изменения схемы и даже не придется переделывать печатную плату. Следует лишь обратить внимание на то обстоятельство, что компараторы, как и остальные микросхемы, выпускаются в различных корпусах, поэтому при их покупке на это следует обратить максимум внимания, особенно, если эта покупка будет использоваться для ремонта готового аппарата.

На рисунке 7 показана цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.

Источник

Компаратор что это

В этой статье мы сравним разность двух напряжений. Вроде бы ничего сложного, но мы постараемся это сделать так, чтобы получить результат нашего сравнения в течение микросекунды!

Для этого потребуется новая интегральная схема — компаратор напряжения. Мы также обсудим понятие дифференциального напряжения.

Как сравнить напряжение вручную?

Чтобы понять, зачем нужно сравнение двух разных напряжений, представьте следующую ситуацию: у вас есть две батареи AA с номинальным напряжением 1,5 В. Вы знаете, что одна из них разряжена, но не знаете, какая именно. В ваше устройство, например будильник, нужно поставить менее разряженную, то есть батапейку с более высоким напряжением.

Как сравнить напряжение двух батареек АА

Какая будет ваша первая мысль? Да, правильно, измерить напряжение каждой батареи с помощью мультиметра, и просто сравнить два числа друг с другом. Предположим, что результаты наших измерений следующие: 1,113 В и 1,521 В. Выбор батарейки в будильник очевиден.

Самый простой способ сравнить две батареи — измерить их напряжение мультиметром

Если у вас есть батарейки типа AA, то можете сами проверить их напряжение. Если батареи новые, то их напряжения должны быть одинаковыми (могут быть некоторые различия). Для сравнения вы можете использовать одну старую батареюку, взятую, например, из пульта дистанционного управления.

Однако, у такого метода измерения есть небольшой недостаток — для сравнения напряжения батареи нужно «целых» два измерения. Но эту операцию можно упростить до одного измерения! Достаточно совместить минусы обоих аккумуляторов, и затем прижать щупы мультиметра к их плюсам. Такое измерение покажет нам разницу с предыдущими результатами — мультиметр покажет так называемое дифференциальное напряжение.

Схема измерения напряжения	Дифференциальное напряжение двух батареек АА

Что такое дифференциальное напряжение?

Дифференциальное напряжение — важная концепция в электронике, и идея, лежащая в основе этого проста — если у вас есть два источника напряжения с общей точкой отсчета, вы также можете определить напряжение между их неподключенными клеммами.

Что такое компаратор напряжения?

Компаратор напряжения — это небольшая интегральная схема, которая позволяет сравнивать два напряжения друг с другом. Компаратор имеет два входа: инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), а также выход. Кроме того, такая схема явно требует мощности.

Символ компаратора на схемах

Компаратор проверяет разницу напряжений между входами, и на основании этого устанавливает свой выход:

На картинке ниже мы видим схему компаратора с питанием от 6 В. Кроме того, два его входа подключены к отдельным источникам напряжения, которые мы и хотим сравнить друг с другом. К выходу компаратора (и к земле) подключается мультиметр.

Слева большее напряжение на инвертирующем входе, а справа — на неинвертирующем входе

Сразу стоит запомнить, что при сравнении двух напряжений компаратор выдает информацию в виде нуля или единицы. Это означает, что на его выходе напряжение близко к положительной шине питания (здесь 6 В) или к отрицательной (здесь 0 В). Промежуточных состояний нет!

Компараторы напряжения также полезны там, где вам просто нужно сравнить два напряжения. В следующей статье мы обсудим так называемые аналоговые датчики, которые могут измерять, например, текущую температуру или яркость солнечного света. Объединив их с компараторами, мы построим термостат (систему, которая реагирует на превышение заданной температуры) и лампу, которая включается после наступления темноты. Однако, прежде чем мы перейдем к таким схемам, нам необходимо познакомиться с самим компаратором на практике.

LM311 — пример популярного компаратора

Мы проведем эксперименты с использованием микросхемы LM311, которая имеет один компаратор в небольшом восьмиконтактном корпусе. Эта схема выпускалась в различных вариантах уже несколько десятков лет, что можно назвать огромным успехом ее конструкторов.

Схема LM311 — аналоговый компаратор

Его основные параметры (при 25 ° C):

Если вы еще не знаете, что означают эти параметры, не волнуйтесь — мы вернемся к этому позже. Достаточно, если теперь вы сделаете два вывода: микросхему LM311 можно безопасно запитать от наших 6В, а его входы также потребляют очень и очень небольшой ток.

Нумерация выводов

Сразу стоит запомнить:

1) Каждый вывод такой схемы имеет свой номер.

2) Выводы всех интегральных схем, выпускаемых в этих корпусах, пронумерованы одинаково — начните с первого вывода и опуститесь вниз, затем перейдите к другой стороне схемы и поднимитесь.

3) Нам нужно знать, как найти первый вывод (ножку) — здесь все очень просто. Мы всегда смотрим на такую ​​систему сверху (ножки направлены вниз). Затем на одной стороне корпуса находим бороздку или холмик. Вывод слева от этой отметки является номером 1.

Универсальный способ нумерации выводов интегральной схемы

Идентично биполярным транзисторам, в одном корпусе может быть несколько электронных компонентов. Поэтому всегда нужно проверять маркировку: в данном случае, имя элемента будет просто напечатано на корпусе. Конечно, на корпусе могут быть какие-то дополнительные знаки, но должен совпадать главный — „311”.

Функции выводов LM311

Пора узнать о функциях выводов. Обычно, в такой ситуации, смотрим на информацию в каталоге — вводим «LM311 datasheet» в поисковике Google и читаем найденный PDF-файл, подготовленный производителем. Однако на этот раз, для вашего удобства, мы собрали здесь самую важную информацию.

Символическое изображение внутренней части схемы LM311

Как показано на рисунке выше, функции отдельных выходов следующие:

Правильное соединение выводов 5 и 6 позволяет вручную регулировать смещение напряжения и уменьшите его почти до нуля. Это сложная тема, но сейчас вам не о чем беспокоиться. Кроме того, ножка 6 позволяет выключить схему, но сейчас эта функция нам не понадобится.

Выход LM311 относится к типу OC (открытый коллектор), что означает, что в цепи присутствует транзистор, который, в зависимости от результата работы схемы, либо забивается, либо насыщается. Коллектор этого транзистора подключен к выводу 7 и, следовательно, является выходом нашего компаратора. Вы можете найти больше информации об этом в конце этой статьи. А теперь, пора приступить к практике!

Компаратор LM311 на практике

Пора запустить компаратор и проверить его работу на практике. Мы построим схему, которая позволит нам точно наблюдать, что происходит при изменении разницы напряжений между двумя входами компаратора. Для выполнения упражнения вам потребуются следующие элементы:

Эти элементы следует подключать согласно схеме ниже. Если вам все понятно, можно попробовать собрать эту схему на плате самостоятельно. Только помните о правильной полярности светодиода и электролитического конденсатора. Также обратите внимание на нумерацию выводов (ножек) LM311. Если вы не хотите рисковать или не знаете, как собрать такую ​​схему на плате, следуйте приведенным ниже инструкциям, которые пошагово описывают весь процесс сборки.

Схема первой цепи с компаратором LM311

Шаг 1. Начинаем с размещения компаратора в центре макетной платы — углубление в середине платы должно проходить под схемой. Если сомневаетесь, вспомните, как устроена макетная плата — другое расположение схемы может привести к короткому замыканию контактов.

Примеры неправильного и правильного размещения интегральных схем на макетной плате

Шаг 2. Добавьте два фильтрующих конденсатора блока питания (C1 и C2 на схеме).

Шаг 1: размещение на макетной плате	Шаг 2: конденсаторы силового фильтра

Шаг 3: берем два резистора по 10 кОм (в схеме R3 и R4), создаем один делитель напряжения, центр которого совмещаем с инвертирующим входом компаратора (вывод 3).

Шаг 4. Подключите питание к восьмой ножке (выводу) компаратора. Дополнительно подключите светодиод с резистором к плате (на схеме LED1 и R5).

Шаг 3: делитель напряжения	Шаг 4: питание микросхемы, светодиод и резистор

Шаг 5. Используя следующие резисторы 10 кОм (R1 и R2 на схеме) и потенциометр 5 кОм (P1), создаем делитель напряжения, который подключаем к неинвертирующему входу компаратора LM311.

Шаг 6. Добавьте недостающие соединения, то есть соедините контакты 1 и 4 с землей схемы. Вы также должны подключить крайние положительные провода, расположенные на макетной плате, для передачи напряжения с одной стороны платы на другую.

Шаг 5: второй делитель напряжения	Шаг 6: последние штрихи

На практике, схема может выглядеть как на фото ниже. Сматывание проводов нужно только для того, чтобы сделать сборку более понятной. На практике, вся схема может выглядеть более хаотичной — это совершенно нормальный вид для сборки на макетной плате.

Подключение с помощью смотанных проводов	Подключение без сматывания проводов

Как работает вышеуказанная схема?

На макетной плате есть делитель напряжения (R3 и R4), благодаря которому, на инвертирующем входе LM311 напряжение составляет около 3 В. Аналогичный делитель подключен к инвертирующему входу, но есть потенциометр, который влияет на сопротивление всего делителя, что позволяет вручную настроить подключение на небольшой диапазон (в диапазоне от

3,6 В). Благодаря этому мы можем наблюдать, как LM311 ведет себя при разных напряжениях на неинвертирующем входе.

Включаем питание и наблюдаем за диодом, медленно поворачивая потенциометр. При низком состоянии светодиод должен гореть, а при высоком — нет.

Низкое состояние на выходе — светодиод горит	Высокое состояние на выходе — светодиод не горит

В случае, когда потенциометр повернут в крайнее положение, на неинвертирующем входе будет около 2,4 В, что меньше 3 В на инвертирующем входе. Компаратор сравнивает напряжение на обоих входах. Итак, вспомним фрагмент из предыдущего описания:

Таким образом, в этой ситуации на выходе компаратора отображается потенциал, близкий к 0 В. Для упрощения — масса, то есть «минус от батареи». Следовательно, диод, подключенный к выходу компаратора, включен, потому что он подключен анодом (через резистор) к положительной шине питания, поэтому, когда на катоде с выхода компаратора появляется «минус», ток будет протекать и диод будет гореть.

После поворота потенциометра в другую сторону неинвертирующий вход будет иметь более высокое напряжение, поэтому на выходе компаратора мы получим напряжения, близкие к положительной шине питания. Проще говоря, будет «аккумулятор плюс». В этой ситуации светодиод будет подключен к плюсу «с двух сторон» (анод через резистор батареи и катод компаратора) и, следовательно, не будет гореть.

Неожиданные сбои

Однако есть положение (около половины оборота потенциометра), в котором светодиод горит мягко или быстро мигает. При таком положении, схема может быть чувствительной даже к приближению руки.

Откуда берутся помехи?

Компаратор на самом деле называется дифференциальным усилителем напряжения. Коэффициент усиления LM311 достигает 200 В / мВ, что означает, что 1 мВ дифференциального напряжения на входах усиливается до 200 В на выходе. Но успокойтесь: такого высокого напряжения на выходе этой схемы нет — это просто пропорциональные расчеты.

Что, если нам удастся установить, например, около десятка микровольт дифференциального напряжения? Это очень сложно, но возможно — медленно поворачивая потенциометр, однажды мы найдем такую ​​настройку. Затем схема делает то, что может, т.е. усиливает, но не может полностью переключить диод. Дифференциальное напряжение слишком мало, чтобы решить, положительное оно или отрицательное. Тогда мы можем сказать, что мы находимся в переходной зоне компаратора.

Обратная связь компаратора

Нам не нужны схемы, которые ведут себя хаотично. В предыдущую схему необходимо внести некоторые изменения, чтобы в схеме никогда не возникало проблем с определением знака дифференциального напряжения.

На этот раз достаточно буквально одного резистора, но это будет элемент с очень высоким сопротивлением, мы говорим о резисторе 1 МОм! Он должен быть подключен между неинвертирующим входом и выходом компаратора (на схеме R6).

Принципиальная схема с добавленным резистором (обратная связь)

На практике такое подключение можно реализовать даже без дополнительных проводов. Вам просто нужно аккуратно подключить резистор над микросхемой.

Схема с подключенной обратной связью	Схема обратной связи на практике

Включаем питание и снова поворачиваем ползунок потенциометра. Что изменилось? Наш резистор R6 перенаправляет часть тока (очень небольшую) с выхода на неинвертирующий вход.

Обратная связь заключается в том, что схема (в данном случае компаратор напряжения) перенаправляет некоторую информацию со своего выхода на вход. В данном случае, эта информация представляет собой ток, протекающий через резистор 1 МОм. Обратная связь бывает двух типов:

Как работает обратная связь?

Работу этой схемы можно объяснить следующим образом: если светодиод не горит, это означает, что выходное напряжение близко к положительной шине питания. Ток протекает через R6 к неинвертирующему входу, что еще больше увеличивает его потенциал и увеличивает дифференциальное напряжение.

Однако уменьшение напряжения, с помощью потенциометра, в какой-то момент переключит состояние компаратора, т.е. ток, подаваемый R6, перестанет быть достаточным, и потенциал неинвертирующего входа будет ниже, чем у инвертирующего входа. В результате, на выходе компаратора появится потенциал до нескольких сотен милливольт, который можно упростить до массы (минус батареи). Светодиод загорится. Через R6 ток начнет течь в другом направлении — от неинвертирующего входа к выходу, благодаря чему дифференциальное напряжение снова будет увеличиваться, на этот раз с противоположной полярностью.

Такое свойство схемы называется гистерезисом — она ​​запоминает свое предыдущее состояние, поэтому следующий толчок, который смог бы ее переключить, должен быть достаточно сильным. Гистерезис необходим во всех схемах, в которых запоминающиеся процессы протекают медленно, особенно в термостатах.

Гистерезис представляет собой зону нечувствительности, в которой система не реагирует на изменения

Величина резистора R6 влияет на ширину гистерезиса, то есть на расстояние между напряжениями (устанавливается с помощью потенциометра P1), при котором схема меняет состояние выхода. При отсутствии этого резистора, что можно считать бесконечно большим сопротивлением, пороги включения и выключения находились практически в одном месте.

Уменьшение этого сопротивления до 1 МОм привело к четкой разнице между порогами переключения. Следуя этому пути, дальнейшее уменьшение значения R6 вызовет еще большую разницу между напряжением, при котором схема включает диод, и напряжением, при котором схема отключает его.

Причина этого кроется в большей интенсивности протекающего через него тока связи (поскольку здесь все еще действует закон Ома ). Если сила этого тока выше, то он может сильнее повлиять на потенциал неинвертирующего входа — «добавляя» или «забирая» ток из части схемы (R1 + P1 + R2).

В случае отсутствия обратной связи, наш делитель напряжения с потенциометром смещает неинвертирующий вход на постоянное, задаваемое вручную напряжение. С другой стороны, в случае схемы обратной связи, ситуация немного сложнее, потому что через резистор R6 протекает относительно небольшой ток, который протекает один раз со входа на выход и один раз с выхода на вход компаратора. Это зависит от состояния выхода компаратора. Обе ситуации показаны на рисунках — путь дополнительного тока обратной связи отмечен красными стрелками.

Срабатывание гистерезиса — переход во включенное состояние	Работа гистерезиса — переход в выключенное состояние

Все зависит от выходного потенциала компаратора. Если выход низкий, дополнительный ток течет от входа к выходу. Однако, если выход компаратора высокий, ток течет в противоположном направлении. В зависимости от направления этот ток протекает через потенциометр или ту или иную половину делителя напряжения. Таким образом, он тонко меняет напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход. Благодаря этому схема работает более стабильно, потому что ей «кажется», что разница между входами компаратора немного больше, чем есть на самом деле.

Ток обратной связи, влияющий на выход компаратора	Ток обратной связи, протекающий с выхода компаратора

Принцип работы компаратора (для любознательных)

Иногда, юные электронщики используют юмористический термин «магический треугольник», т.к. они еще не знакомы с внутренней структурой схемы. Чтобы полностью понять, как работает компаратор, нужно хорошо знать транзисторы — внутри компаратора нет никакого волшебства.

Ниже представлена ​​простейшая принципиальная схема компаратора. Схема ужасная, но она будет работать. Следующая информация должна рассматриваться чисто из любопытства — мы не будем использовать этот тип компараторов.

Построение простого компаратора на транзисторах

Транзисторы Т1 и Т2 образуют так называемую дифференциальную схему, которая находится на входе каждого компаратора. Ее преимущество в том, что она позволяет изучать дифференциальное напряжение, ведь здесь важна только разница напряжений между их базами.

Если напряжение на Т1 ниже, чем на Т2, первый транзистор открывается, а второй забивается. Это связано со свойствами транзистора PNP — для его открытия необходим базовый потенциал ниже, чем у эмиттера. База T1 будет снижать потенциал эмиттеров ниже, чем база T2, вызывая засорение T2. Весь ток от резистора будет проходить через коллектор T1.

Транзисторы Т1 и Т2 постоянно конкурируют друг с другом за ток от резистора R1. Тот, кто побеждает (то есть начинает проводить ток от эмиттера к коллектору), устанавливает напряжение эмиттер-база около 0,7 В. Если его «противник» не проводит ток, его напряжение эмиттер-база ниже.

Если в ситуации, показанной ниже, транзистор T2 с базовым потенциалом 2,5 В должен был проводить ток, то его потенциал эмиттера был бы 3,2 В или 0,7 В. Однако тогда, напряжение эмиттер-база транзистора T1, поскольку их эмиттеры соединены, будет до 3,2 В — 2 В = 1,2 В, поэтому он будет проводить гораздо больший ток.

Простой компаратор — текущий путь в первой ситуации

В схеме напряжений, которую мы только что предположили, Т1 должен проводить ток. Потенциал эмиттера будет 2,7 В. Тогда напряжение эмиттер-база в транзисторе Т2 будет всего 2,7 В — 2,5 В = 0,2 В. Следовательно, Т2 останется забитым. Весь ток от R1 будет течь на землю через коллектор T1. Ток не будет течь в базу T3, и этот транзистор также будет забит.

Теперь поменяем местами провода, подающие напряжение на входы компаратора. Дифференциальное напряжение по-прежнему составляет 0,5 В, но его знак изменился. Теперь потенциал базы Т2 составляет 2 В, а Т1 — 2,5 В. Теперь можно сделать вывод, что Т2 придется открывать. Его напряжение эмиттер-база будет 0,7 В, а Т1 — 0,2 В, поэтому он останется забитым.

Простой компаратор — путь тока во второй ситуации

Весь ток от резистора R1 будет протекать через эмиттер T2 на базу T3. Этот транзистор, пока забитый, но сможет открыться и через его коллектор сможет протекать ток, например, от дополнительного резистора (подробнее об этой теме чуть позже), к земле системы. Если ток коллектора достаточно низкий, транзистор может насыщаться.

Таким образом, эта простая схема действует как реальный компаратор. Когда потенциал входа, отмеченного знаком «+», выше, чем «-», состояние выхода высокое (выходной транзистор забит). Если входной потенциал «-» выше, чем «+», выход будет закорочен на массу (выходной транзистор открыт).

Что такое выход с открытым коллектором?

Открытый коллектор — это распространенный тип вывода в системах с двумя состояниями. Одно из состояний — низкое — сигнализируется замыканием этого выхода на массу системы, что реализуется встроенным выходным транзистором. Второе состояние, высокое, — это засорение этого транзистора. Оно определяется как высокое, потому что коллектор этого транзистора обычно подключен к нагрузке, подключенной с другой стороны к положительной шине питания. Когда через него не протекает ток, на нем нет падения напряжения, поэтому потенциал коллектора транзистора равен напряжению питания.

Принцип работы выхода типа OC

Преимущество этого типа выхода состоит в том, что на нагрузку может подаваться напряжение, отличное от напряжения остальной схемы. Это может быть, например, реле с катушкой на напряжение 12 В, тогда как остальная электроника получает 5 В. Переключение этого реле будет происходить в низком состоянии после насыщения выходного транзистора. В свою очередь, чтобы выключить его, достаточно прервать протекание тока (засорение транзистора).

Когда компаратор перестает нормально работать?

Компаратор показывает нам знак дифференциального напряжения, приложенного к его входам. Что, если оба входа поляризованы с одинаковым потенциалом? Это можно сделать очень легко, закоротив их — тогда дифференциальное напряжение будет равно нулю.

Ранее мы предполагали, что транзисторы T1 и T2 в открытом состоянии имеют напряжение эмиттер-база 0,7 В. Это не совсем так — они отличаются друг от друга даже на десяток милливольт. Производители стараются уменьшить эти отличия, но такая проблема была, есть и будет… Итак, как и во многих других ситуациях — нужно помнить о некоторой погрешности и несовершенстве элементов.

Смещение напряжения и тока

Транзисторы дифференциальной схемы, помимо приложенных к напряжениям, также учитывают для сравнения их напряжение эмиттер-база. Эти напряжения складываются с внешними, что влияет на определение потенциала эмиттера и решение, какой транзистор подключить.

Под смещением следует понимать источник напряжения, который «имеет» компаратор и который последовательно подключен к одному из входов. Производители никогда не указывают точное значение смещения, так как оно зависит от агрегата, температуры и других факторов. Вместо этого они указывают диапазоны, например ± 5 мВ. Для электроники это означает, что такой компаратор должен возбуждаться дифференциальным напряжением, превышающим 5 мВ, потому что меньшие по размеру могут не правильно распознаваться.

Фрагмент каталожной записи LM311

В дополнение к смещению напряжения существует также смещение тока, то есть разница между токами, потребляемыми базами транзисторов, управляющих входами. Она упоминается гораздо реже, чем смещение напряжения, но вы должны знать о его существовании — это также вызвано различиями в параметрах транзисторов.

Диапазон входного напряжения компаратора

Компараторы также характеризуются приемлемым диапазоном входных напряжений. Для правильной работы транзисторов в дифференциальной цепи, потенциалы, приложенные к их базам, должны быть немного выше, чем напряжение на отрицательной части источника питания, и ниже, чем на положительной.

Типичные компараторы требуют напряжения питания примерно 1-2 В от напряжения питания. Однако есть группа компараторов, которые могут работать с гораздо меньшим запасом, порядка 20–100 мВ.

Вывод

Вот мы и прошли с вами очень важную тему, касающуюся компараторов напряжения. Если на этом этапе вам что-то непонятно, убедитесь, что вы понимаете общий принцип работы этих элементов. Детальные знания внутренней структуры компаратора сейчас не понадобятся, поэтому вам не нужно сосредотачиваться на этом — самое главное, вы можете воссоздать практическое упражнение.

Если в настоящее время вы не видите практического применения компаратора, подождите, пока мы не начнем комбинировать его с другими элементами, например, аналоговыми датчиками. Для этого, в следующей статье, мы построим лампу, которая автоматически включается после наступления темноты, а также соберем простой термостат.

Источник