8-900-374-94-44
hubstub.ru
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.
Этот механический компаратор использовался для проверки эталона в 1м при образовании французской метрической системы. Точность измерения таким компаратором при помощи системы подвижных
рычагов достигала 0,0005мм. Для того времени это было очень точно. Но в этой статье мы не будем подробно рассматривать механические и иные компараторы, поскольку наша задача, —
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.
Современные компараторы по схеме очень напоминают ОУ. По сути, это тот же операционный усилитель, только без обратной связи и с очень высоким коэффициентом усиления. Компаратор также имеет два входа, — прямой и инверсный (отмечается кружочком или знаком «минус»).
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.
Когда выходной транзистор подключен по схеме эмиттерного повторителя, как показано на рисунке 1б, напряжение на выходе компаратора будет меняться в пределах +15В…-15В. Однако при таком включении существенно падает быстродействие компаратора, а кроме того входы «меняются» местами, — происходит инверсия входов.
Рисунок 1.
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
Компараторы, показанные на этом рисунке, имеют парафазный выход, как у триггера, — верхний выход прямой, а нижний, отмеченный кружком, естественно, инверсный. Кроме этого здесь также показан стробирующий вход C.
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).
На рисунке 4б стробирующий вход C имеет черточку /, что говорит о том, что стробирование происходит по восходящему фронту импульса. В случае стробирования по падающему фронту черточка имеет вот такое направление .
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 ОУ, а также с различными сериями логических микросхем: ТТЛ, КМОП, ДТЛ и другими.
Кроме этого компараторы LM311 могут управлять непосредственно лампами и обмотками реле с рабочими напряжениями до 50В и токами не более 50мА. Кроме LM311 есть еще компараторы LM111 и LM211. Различаются эти микросхемы условиями работы, в основном температурой. Диапазон работы LM311 составляет 0°C…+70°C (коммерческий диапазон) LM211 -25°C…+85°C (промышленный), LM311 -55°C…+125°C (военная приемка).
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.
Рисунок 6. Компаратор LM311
Рисунок 7. Цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.
Собственно о компараторах можно написать еще немало. C их помощью можно сделать фотореле, термореле, индикатор электрического поля, емкостное реле и еще множество других полезных устройств.
Несколько интересных и полезных схем можно найти в «даташит» компаратора LM311, где они приводятся в качестве типовых схем включения. Именно в этом виде компараторы используются достаточно часто. Вот только описания типовых схем даны на «типовом», английском языке. Но, даже не особо зная чужой язык, разобраться можно, хотя бы с помощью онлайн-переводчика Гугл.
lab201.jimdo.com
1 1 Лекция 11. КОММУТАТОРЫ, КОМПАРАТОРЫ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ. План 1. Введение.. Аналоговые коммутаторы на биполярных и полевых транзисторах 3. Компараторы: определение, структура, принцип действия. 4. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики. 5. Интегральные компараторы 6. Выводы. 1. Введение. В устройствах цифровой электроники обычно используются сигналы двух уровней высокого и низкого. Такие сигналы называют цифровыми. При работе с цифровыми сигналами нет необходимости задумываться об особенностях электрических процессов в электронной схеме, которая обрабатывает сигнал. Электронные схемы, которые обрабатывают цифровой сигнал, называют электронными ключами. В информативной электронике используются также ключи, которые имеют другое назначение, а именно соединять или разъединять источник входного сигнала, содержащего информацию аналогового и приёмник этого сигнала. Сигналы, не являющиеся цифровыми, называются аналоговыми, а схемы, реализующие эту функцию, называются аналоговыми ключами, которые правильнее было бы называть аналоговыми коммутаторами. Дело в том, что этот вид ключей предназначен для подключения или отключения источника входного аналогового сигнала от приёмника этого сигнала. Для коммутации аналоговых сигналов используются коммутаторы последовательного, параллельного, последовательно-параллельного типов.
2 . Коммутаторы на биполярных и полевых транзисторах. Коммутаторы на биполярных транзисторах. На рис.11.1 показана простейшая схема параллельного аналогового коммутатора на биполярном транзисторе. Рассмотрим его работу. I б >I б1 I к U вы I б1 б I б I к U кэ 0 U кэ U ост U упр Рис Рис входное напряжение, поступление которого в нагрузку зависит от источника управляющего сигнала (U упр ). Напряжение может быть как положительной, так и отрицательной полярности. Если коммутатор находится в состоянии «включено», то его выходное напряжение должно быть равно входному. Если же коммутатор находится в состоянии «выключено», то его выходное напряжение должно быть равно нулю. На рис.11. представлены выходные характеристики транзистора в активном режиме (эмиттерный переход находится под прямым напряжением, а коллекторный под обратным). Состоянием транзистора «дирижирует» источник напряжения U упр. Когда от источника управляющего напряжения на вход транзистора подаётся запирающий сигнал, транзистор закрывается. При этом выходное напряжение равно входному. Когда транзистор открывается, его сопротивление становится очень малым и фактически он закорачивает цепь и напряжение на выходе становится равным нулю.
3 3 Одним из недостатков аналогового коммутатора, выполненного на биполярном транзисторе, который используется в прямом включении, является то, что его выходные характеристики не проходят через начало координат (рис.11.). При этом точка перехода коллекторного тока через нуль соответствует какому-то остаточному напряжению на участке коллектор-эмиттер. Назовём это напряжение остаточным (в литературе его часто называют напряжением смещения). Величина напряжения U кэ = U ост мв. Чтобы ослабить этот недостаток, то есть уменьшить остаточное напряжение, транзистор ставят в инверсный режим (рис.11.3). Базовый ток при этом не меняем. I э I б >I б1 б I б I э U эк U вы I б1 U инв 0 U эк U упр Рис I к Рис Как видно из ВАХ транзистора (рис.11.4) в инверсном включении остаточное напряжение значительно уменьшилось (U эк = U инв 1 5 мв). Чтобы транзисторная цепь была низкоомной, необходимо базовый ток поддерживать в пределах нескольких миллиампер. При этом токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений. Остаточное напряжение при токе коллектора и токе эмиттера, равных нулю, будет очень малым. Коммутаторы на полевых транзисторах.
4 4 В лекции 4 подробно рассмативались ВАХ полевых транзисторов и для МОП-транзисторов, и для транзисторов с управляющим p-n-переходом. Для анализа аналогового коммутатора на полевом транзисторе воспользуемся его стоковой ВАХ (рис.11.6). VT н U вы мa I с А Б U упр 0 10 Рис О U си Рис U В В пределах отрезка «ОА» полевой транзистор можно рассматривать как омическое сопротивление, которое можно изменять в широких пределах с помощью управляющего напряжения на затворе. На рис.11.5 показана схема последовательного коммутатора на полевом канальном транзисторе (на транзисторе с управляющим p-n-переходом). Рассмотрим работу этого коммутатора. Если уровень управляющего напряжения на затворе будет меньше, чем возможное входное напряжение, то транзистор будет заперт, и напряжение на выходе коммутатора станет равным нулю. Чтобы транзистор был полностью открыт, необходимо поддерживать напряжение на затворе, равном нулю. Но потенциал истока не остаётся постоянным, поэтому и уровень управляющего напряжения меняется. Недостаток этот можно устранить включением в цепь затвора полупроводникового диода. При этом. если управляющее напряжение будет больше максимально возможного
5 5 входного напряжения, диод закроется, и на затворе установится напряжение, равное нулю. Напряжение на выходе станет равным входному. А если управляющее напряжение будет большим, но отрицательным, то диод откроется, передав на затвор отрицательное напряжение. Транзистор закроется. Внимание. Попробуйте составить такую схему, опираясь на схему, которую только что рассмотрели. Не забудьте, при этом, создать цепь для протекания тока открытого диода на время, пока полевой транзистор закрыт. Эта цепь свяжет цепь входного сигнала с источником управляющего сигнала, но бояться этого не надо: транзистор закрыт, работа коммутатора не нарушится. Предупреждение. Не ставьте в цепь входного сигнала разделительный конденсатор, который, зарядившись до уровня управляющего напряжения, нарушит режим коммутатора. Избавиться от всех перечисленных недостатков можно, если в качестве коммутатора использовать МОП-транзистор, но ещё лучше КМОП-схему. На рис 11.7 дана схема последовательного коммутатора на МОПтранзисторе. Чтобы p-n-переходы между подложкой-истоком и подложкойстоком не пришли в прямосмещённое состояние, на подложку заводится напряжение «+Е п». U упр +Е п VT 1 U упр н U вых VT н U вы Рис U упр Рис.11.8.
6 6 Чтобы МОП-транзистор в схеме (рис.11.7) привести в открытое состояние, управляющее напряжение должно быть больше максимального входного напряжения. А чтобы увеличить диапазон входных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности лучше использовать КМОП-схему (рис.11.8). КМОП-схема представляет собой два МОП-транзистора с каналами разной проводимости, и объединённых в одно целое (рис.11.8). Транзистор VT 1 это транзистор с n-каналом, VT с p каналом. На затворы обоих транзисторов поступает управляющее напряжение. Так как в КМОП-схеме используются транзисторы с каналами разной проводимости, то важно, чтобы на затворы поступали напряжения разной полярности и достаточно большой величины (хотя бы в раза больше опорного). При малых значениях входного сигнала оба транзистора будут открыты. Если положительное входное напряжение сильно возрастёт, то режимы транзисторов изменятся: уменьшение напряжения на затворе VT 1 и увеличение его внутреннего сопротивления будет сопровождаться увеличением напряжения на затворе транзистора VT и уменьшением его внутреннего сопротивления. Чтобы выключить коммутатор, надо изменить полярность управляющего напряжения. В переходных процессах при смене полярности управляющего напряжения возникает импульс помехи. Дело в том, что через проходную ёмкость «затвор-канал» на выход коммутатора передаётся импульс напряжения это импульс помехи. Чтобы помеха не нарушила работу коммутатора управляющее напряжение не должно быть слишком большим. 3. Компараторы: определение, структура, принцип действия. Устройство сравнения аналоговых сигналов (компаратор) выполняет функцию сравнения либо двух (или более) входных сигналов между собой, либо сравнение одного входного сигнала с опорным сигналом (эталонным), которое называют порогом срабатывания устройства сравнения; в этом случае на выходе устройства сравнения формируются только два уровня выходного сигнала высокий и низкий, которые могут отличаться как по величине, так и по знаку..
7 7 Если в качестве схемы сравнения используется обычный ОУ, то на выходе формируется напряжения противоположной полярности при практически равных абсолютных значениях. Если в качестве схемы сравнения используются специализированные интегральные схемы, то на выходе формируются напряжения одной полярности. При этом выходные сигналы компаратора согласованы по величине и полярности с сигналами, которые используются в цифровой технике. Вывод. Входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, а выходной цифровой. По этой причине компараторы часто используются как аналого-цифровые преобразователи, так как они выполняют роль элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами Компараторы относятся к специализированным ОУ, в которых нормальным режимом является нелинейный режим работы каскадов. На рис.11.9 представлена структурная схема компаратора. Первый каскад компаратора (ДУ) определяет все основные входные параметры (входные сопротивления, входные токи, их температурные дрейфы и др.), поэтому, этот каскад за малый промежуток времени, при минимальной потребляемой мощности, должен обеспечивать максимальный сигнал для переключения промежуточного каскада. Д У П ром еж у — т оч ны й у с илит ель Ф орм иро вател ь уровня U Рис.11.9.Структурная схема компаратора Однако, в полупроводниковых компараторах, предназначенных для точного сравнения (δ 10-3 ) быстро меняющихся сигналов большой амплитуды, ДУ работает в нелинейном режиме только в течение времени переключения выходного напряжения. Следовательно, требования,
8 8 предъявляемые к ДУ, получаются противоречивыми, поэтому, использование схемотехнических и технологических средств, позволяет добиться устранения насыщения транзисторов ДУ. Приёмниками выходных сигналов компараторов обычно являются логические схемы, поэтому выходные напряжения каждого компаратора напряжения согласуются с ТТЛ, ТТЛШ и КМОП-логическими схемами. В зависимости от того, какой уровень напряжения (входной или опорный) будет больше, на выходе компаратора устанавливается напряжение логического нуля или единицы. Современные компараторы схемотехнически различаются по конструкции формирователя уровня (ФУ): ФУ может быть эмиттерным повторителем, одновходовым или дифференциальным усилителем, логическим элементом. Но, в любом случае, независимо от конструкции, ФУ должен быть усилителем мощности, который сформирует на выходе компаратора соответствующие логические уровни напряжений: или U 0, или U 1. В компараторах напряжения один динамический параметр время переключения выходного напряжения (иначе время восстановления). Быстродействие компаратора принято характеризовать «временем восстановления» (переключения) это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания логической схемы. Существует стандартная методика измерения времени восстановления (рис.11.10а): на неинвертирующий вход ОУ подаётся напряжение перегрузки, равное 100 мв, а на инвертирующий вход перепад напряжения той же полярности (импульсное напряжение), но большей амплитуды (105 мв). Время восстановления (t вост. ) отсчитывается с момента, когда напряжение перегрузки и импульсное напряжение сравняются. Разница между амплитудами перепада напряжения и сигнала перегрузки называется напряжением восстановления. Обычно время восстановления приводится для напряжения восстановления в 5 мв. Время восстановления компараторов содержит две составляющие:
9 9 время задержки (t з. ), в течение которого выходное напряжение компаратора остаётся неизменным; время нарастания (t н ) до порогового напряжения(u пор ) срабатывания логической схемы. мв t U 1 U вых.неинв..инв..восст. = 5 мв U пор t U 0 t з t н t а). Рис а. переходные характеристики, б диаграммы, поясняющие работу компаратора
10 U оп 0 t 1 Т U сраб U вых. +U вых. мак -U вых.мин 0 t 1 t t 3 t Рис б Эксплуатационные параметры компараторов отличаются от параметров ОУ только названиями уровней выходного напряжения. Быстродействующие и высокоточные компараторы выполняются на ОУ в интегральном исполнении.
11 11 Точность работы компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить опорное напряжение, чтобы выходное напряжение достигло порога срабатывания логической схемы. 4. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики. Однопороговые компараторы. Регенераторные компараторы. Двухпороговые компараторы Однопороговые компараторы. Реакция компаратора на превышение входных сигналов заданного уровня называется амплитудной дискриминацией или детектированием уровня. Однопороговым компаратором сравнения называются такие схемы сравнения, для которых коэффициент усиления всегда остаётся положительным. В компараторе (рис.11.11а) цепь ОС формирует на выходе усилителя сигнал, совместимый с входными уровнями ТТЛ-схем: напряжение порога срабатывания (переключения) U пор = Е оп. Если напряжение смещения нуля скомпенсировано, то при = U пор напряжение на выходе U вых 0; стабилитрон и диод закрыты и, таким образом, цепь ОС разомкнута. Если напряжение на входе изменится на несколько десятков микровольт в сторону уменьшения или увеличения, то изменение выходного сигнала будет составлять единицы вольт, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ. Это изменение прекратится в тот момент, когда откроется диод или стабилитрон и коэффициент по цепи ОС станет равен единице. Если станет больше U пор, то U вых = U д. Если станет меньше U пор, то U вых = U ст. Недостаток однопороговых компараторов: при очень медленных изменениях или малых амплитудах выходного сигнала время переключения однопорогового компаратора зависит от скорости изменения входного
12 1 сигнала, частоты единичного усиления и коэффициента усиления усилителя по напряжению. VD 1 U вых VD Е оп + U ст U пор U в х 1 U в Е оп — U д Передаточная Е а). б). рис Схема однопорогового компаратора (а) и его передаточная характеристика (б) Для уменьшения времени сравнения таких сигналов используют схемы компараторов с положительной ОС регенераторные компараторы. 4.. Регенераторные компараторы. Особенностью таких компараторов (рис.11.1а) является наличие гистерезиса передаточной характеристики. U в ых U ст 1 U вы U в х 3 U н =U от п U в =U ср Регенераторный а). -U ст Передаточная б).
13 13 U г Рис в + 3 U н = U ст + 3 Напряжение верхнего порога переключения: U = U ст. Напряжение нижнего порога переключения:. Напряжение гистерезиса передаточной характеристики: = U ст Если напряжение на входе близко к нулю, или имеет отрицательное значение, то выходное напряжение будет положительным, а напряжение на неинвертирующем входе определяет верхний порог переключения U в = U ст. + 3 Если напряжение на входе достигает величины U в = U ср, ток в цепи стабилитрона становится равным нулю, а затем меняет направление и выходное напряжение ОУ переключается. После этого на неинвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение нижнего порога срабатывания (напряжение отпускания U отп ): U н = U ст. + 3 Чтобы теперь переключить компаратор в обратное состояние, входное напряжение должно измениться от U н до U в, то есть на величину, равную U в, которое и определяет напряжение гистерезиса. Чтобы петля гистерезиса была симметричной относительно входного напряжения, минимальное и максимальное значения выходного напряжения должны быть равны по абсолютному значению: если по какой то причине произойдёт изменение одного из уровней, то это вызовет смещение гистерезиса и, следовательно, изменение расчётной точки компаратора, что приводит к увеличению погрешности сравнения. Для ослабления этого недостатка в современных схемах подобных компараторов вводится ключ для управления выходным напряжением (например, на полевом транзисторе) Двухпороговые компараторы. Компаратор, состояние выхода которого изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, называется двухпороговым. На рис.11.13а представлена одна из наиболее распространённых схем двухпорогового компаратора. Диодный мост включен в цепь ОС усилителя.
14 14 Изменение выходного напряжения происходит, как только входной ток I 1 превысит или станет меньше тока I, отдаваемого в мост цепью смещения. При изменении выходного напряжения переключаются диоды, и изменяется значение коэффициента передачи по цепи ОС. Точность уровней дискретизации и минимальная ширина окна ограничиваются десятками мв из-за разброса падений напряжений на открытых диодах. Для повышения точности сравнения можно использовать сдвоенные двухвходовые компараторы. Напряжение верхнего порога переключения: U в = 1 ( U + п U д) Еоп +U п I +U п U вы х 1 U вы 1 U в Е оп U н I 1 -U п -U а). Рис б). Напряжение нижнего порога переключения: U н Интегральные компараторы = 1 ( U п + U д) Еоп Интегральные компараторы отличаются от схем сравнения, выполненных на ОУ общего применения, тем, что их выходной сигнал согласован по уровню с напряжениями, которые используются в цифровой технике для отображения сигналов логических уровней логического нуля и логической единицы. Компараторы на ОУ общего применения, имея достаточно высокую точность сравнения входных напряжений, не в состоянии обеспечить нужного быстродействия, которое, как было сказано выше, принято характеризовать «временем восстановления» (переключения,
15 15 см. стр. 8: стандартная методика измерения времени восстановления (рис.11.10а)). Таким образом, время восстановления определяется как временной интервал между моментом равенства напряжений на входах компаратора и моментом, когда его выходное напряжение достигнет порогового уровня (U пор ), которое определяется уровнем срабатывания логических схем. Используя в компараторах обычные ОУ без ОС, независимо от их быстродействия, трудно получить t вост < 1 мкс (при этом основной его составляющей будет время задержки): Нормальным режимом работы транзисторов в ОУ является активный режим. В режиме сравнения двух сигналов напряжение на входе ОУ, работающего без ОС, равно вхоу [ ] [ U ] выхоу, U >> где K u коэффициент прямой передачи напряжения со K u входа на выход ОУ без ОС. В этом случае транзисторы в ОУ переходят в режим насыщения (режим перегрузки), и потребуется определённое время, чтобы избыточные заряды в базах транзисторов рассосались. Быстродействие схемы сравнения снижается. Поэтому при разработке интегральных компараторов (ИКП) применяют специальные схемотехнические решения, направленные на недопустимость перехода транзисторов в режим насыщения. Поэтому, современные компараторы выполняются по специализированным схемам в интегральном исполнении (см. стр. 14) и, в этом случае, время восстановления у них менее 100 нс. Выводы. 1. Компараторы на ОУ общего применения используются при разработке высокоточных схем сравнения, которые работают с медленно изменяющимися сигналами.. Интегральные компараторы применятся в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие и, в зависимости от конкретных требований, используют высокоточные или высокоскоростные компараторы. Контрольные вопросы к теме «Компараторы».
16 Uоп 3 4 U вы 1 U оп 0 Т t 1 t t 3 t а б Рис Однопороговое устройство сравнения: а схема компаратора на ОУ; б диаграммы входных напряжений. 1. Назовите устройство сравнения, для которых коэффициент усиления всегда остаётся положительным.. Напишите условие срабатывания схемы сравнения. Входное сопротивление ОУ равно, 3. На инвертирующем входе ОУ (рис а) действуют напряжения 1,, 3 (рис.11.15б). К неинвертирующему входу подключен источник опорного напряжения U оп. Чему равно напряжение между входами ОУ в момент его переключения? 4. Отметьте на диаграмме входных напряжений моменты срабатывания схемы сравнения. Нарисуйте форму выходного напряжения при указанной форме входных сигналов. 5. Какие выходные напряжения могут формироваться на выходе схемы сравнения.
docplayer.ru
Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.
Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при Uвх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении Uвх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг Uвых.
В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2.
Рис. 4. Схема компаратора mА710 В заключение, перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ.
Источник: gaw.ru
www.ingeneryi.info
Прошло почти два года с тех пор, как я пытался приручить операционный усилитель УД708 для сравнения двух сигналов. Знаний тогда было мало, поэтому времени уходило много, а главное — еще и безрезультатно. Но в итоге для своей задачи я смог «договориться» с компаратором LM393N. А на днях перебирал поделку, в которой впервые использовал эту микросхему, и решил вспомнить, как работает компаратор. Заодно и другим рассказать.
Компаратор — это устройство, сравнивающее два аналоговых сигнала. В самом простом случае — операционный усилитель без обратных связей. На входы ему подаются два напряжения — эталонное, оно же опорное (известно заранее) и измеряемое. На выходе возможны два состояния:
«1» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;
«0» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.
Некоторые компараторы самостоятельно формируют уровни логических нуля и единицы (например, «ноль» — это ноль, «единица» — плюс пять вольт), но LM393 — с открытым коллектором. Ей для создания выходного напряжения нужен внешний резистор, подключающийся либо к «плюсу» питания, либо к другому «плюсу» (в разумных пределах, конечно).
Первые две схемы — каноничное включение нагрузки под открытый коллектор. Я подключал внешний резистор к питающему «плюсу».
В корпусе микросхемы содержатся два компаратора.
IN (-) — инвертирующий вход, IN (+) — прямой. Сейчас делитель подключен на инвертирующий вход, измеряемое напряжение — на прямой.
R1 и R2 — резистивный делитель, с которого идет опорное напряжение.
R3 — внешний резистор. Я для экспериментов взял 1 кОм.
R4 — токоограничивающий резистор для светодиода. Для другой нагрузки (например, обмотки реле) он может оказаться ненужным.
Питание — 9 вольт. С делителя (желтый провод) идут 6 вольт. Синий провод (измеряемое напряжение) идет к потенциометру ручной регулировки.
(Схемы на фотографиях могут несколько отличаться друг от друга — было две серии экспериментов).
Напряжение на прямом входе (0 В) меньше, чем напряжение на инвертирующем (6 В). Компаратор выдает «ноль».
Напряжение на прямом входе (6,14 В) стало больше, чем на инвертирующем. Компаратор «перещелкнулся» на «единицу», светодиод включился.
Где можно применить: индикатор закипания охлаждающей жидкости.
Опорное напряжение задается равным напряжению, которое выдает датчик температуры при ста градусах.
Измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход, опорное — на прямой.
Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «единицу», и светодиод горит. В противном случае — «ноль».
Где можно применить: индикатор низкого давления масла.
Опорное напряжение задается равным напряжению, которое выдает датчик давления при критически низком давлении в системе.
Индикатор «топливо на исходе».
Опорное напряжение задается равным напряжению, которое выдает датчик уровня при малом остатке топлива в баке.
Индикатор разряда батареи. Здесь опорное напряжение лучше создать стабилитроном, а измеряемое подавать через делитель. Очень хорошо об этом написано здесь. Такую железяку я собирал — работает.
И еще две схемы — неканоничное включение нагрузки: светодиод через резистор подключается непосредственно к выходу компаратора. В этом случае логика его работы обратна.
«0» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;
«1» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.
Опорное напряжение — на инвертирующем входе, измеряемое — на прямом.
Напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем — светодиод горит. В противном случае — нет.
Измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход, опорное — на прямой.
Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «ноль», и светодиод не горит. Иначе — «единица».
Вообще, лучше, конечно, пользоваться первыми двумя общепринятыми схемами, чтобы не было путаницы.
Еще один важный момент — подключение нагрузки (светодиода) к другому напряжению (как мог, изобразил 24 вольта). Справедливо для любого из ранее изображенных включений.
О нагрузке. В даташите о максимальном токе коллектора сказано, что больше 6-20 мА микросхема не выдаст. То есть включить один светодиод — не проблема, а вот что побольше…
Кусок светодиодной ленты, подключенный прямо к выходу компаратора (по третьей или четвертой схеме, без резистора R3) светил слабо (1 мА). Пришлось поддать напряжения до 12 вольт, и тогда ток коллектора вырос до 14 мА. При подключении ленты напрямую к блоку питания — 32 мА. Таким образом, как ни крути, а максимум, что можно получить конкретно от этой LM-ки — 14 мА.
Вывод — что-то прожорливое есть смысл пускать через транзистор, загнанный в ключевой режим. При этом каскаду с общим эмиттером, инвертирующему сигнал, как нельзя лучше подойдет третья или четвертая схемы включения. Ведь если сигнал инвертировать дважды — получится опять исходный сигнал.
Например, на прямом входе компаратора «единица» (по привычной логике — на прямом входе напряжение больше, чем на инвертирующем). Третья схема сделает из нее «ноль» на выходе. А каскад с общим эмиттером, «перевернув» этот «ноль», опять даст «единицу».
Стрелка цепляется к выходу компаратора (R1 — это R3 из предыдущей схемы). R2, возможно, придется подобрать: если он будет слишком маленьким, то транзистор может сгореть, а если слишком большим — не откроется (можно попробовать 4,7 кОм). При подаче «единицы» в базе транзистора должно быть примерно 0,7 В (для кремния). К R3 тоже есть вопросы, но слишком малым и он не должен быть.
Моделирование. Когда на входе «ноль» (а «ноль» третьей и четвертой схемы — это в нормальном включении «единица»), то на выходе — «единица», светодиод работает. С чего начали, к тому и пришли — «единица» опять стала сама собой.
Теперь, когда на входе «единица», то на выходе «ноль». Вот она, знаменитая инверсия каскада с общим эмиттером!
А если включать нагрузку в коллектор транзистора, то «единицы» и «нули» по входу и выходу будут совпадать.
В общем, простор для творчества — колоссальный.
Нравится Загрузка…
huxfluxdeluxe.wordpress.com
Компаратор с окном может быть использован для проверки верхней и нижней границ напряжения. Он выдает сигнал, если напряжение выходит из допустимого диапазона напряжений – между верхней и нижней границами. Схема компаратора с окном может быть построена по схеме, показанной на рис.11.9.
Компаратор отслеживает значения входного напряжения лежащего в диапазоне от 4,8 В до 5,2 В. Именно в этом диапазоне питающих напряжений работают многие типы микросхем. Напряжение на выходе компаратора А1 равно Uвых1 = Ад(Uвх – 5,2 В), а на выходе компаратора А2 равно Uвых2 = Ад(4,8 В — Uвх). Рассмотрим состояния сигналов на выходах компараторов А1 и А2 в зависимости от входного сигнала. При
Uвх > 5,2 B Uвых1 = Uн, Uвых2 = -Uн;
4,8 < Uвх < 5,2 B Uвых1 = -Uн, Uвых2 = -Uн;
Uвх < 4,8 B Uвых1 = Uн, Uвых2 = -Uн.
Временные диаграммы выходных сигналов компараторов А1 и А2 показаны на рис.11.9.
Диоды VD1 и VD2 вместе с Rн образуют логическую схему, выполняющую операцию ИЛИ по отношению к выходным сигналам Uвых1 и Uвых2. Напряжение Uвых будет равно высокому уровню напряжения (+Uн), если хотя бы на одном из выходов компараторов А1 или А2 будет высокий уровень напряжения (+Uн). Напряжение на выходе схемы будет равно низкому уровню напряжения (-Uн), если на обоих выходах компараторов А1 и А2 будет низкий уровень сигнала (-Uн). Из временной диаграммы на рис.11.9 видно, что оба выхода компараторов принимают низкий уровень напряжения, если входной сигнал находится в допустимом диапазоне напряжений от 4,8 В до 5,2 В. Следовательно напряжение на выходе будет равно низкому уровню. Если входное напряжение падает ниже 4,8 В или повышается более 5,2 В, то на выходе одного из компараторов А1 или А2 будет высокий уровень напряжения и, следовательно, на выходе схемы будет высокий уровень напряжения, что сигнализирует об аварийном изменении напряжения питания.
Промышленность выпускает большую номенклатуру компараторов в интегральном исполнении, рассчитанные на разные напряжения питания, выходные напряжения, имеющие различное быстродействие. Примером компаратора с окнами может служить отечественный компаратор К554СА1. Хорошие характеристики имеет компаратор LM311 (отечественный аналог К554СА3). Компаратор LM311 работает в широком диапазоне напряжений питания: от стандартного для ОУ питания 15 В до однополярного питания 5 В., применяемого для питания логических схем. Его выход совместим с ТТЛ схемами, а также со схемами на МОП – транзисторах. Кроме того, данный компаратор может работать на сигнальные лампочки или реле, переключая напряжения до 40 В при токах до 50 мА. Такая совместимость выхода компаратора с различной нагрузкой достигается благодаря тому, что выходной транзистор компаратора делается с открытым коллектором и свободным эмиттером. Выходная цепь компаратора может работать как на заземленную нагрузку, так и на нагрузку, подключенную к положительному или отрицательному выводу источника питания. В схеме компаратора предусмотрены возможности балансировки сдвига и стробирования. На рис.2.10 показана цоколевка компаратора LM311 с цепью стробирования и выходным транзистором. Вывод «Строб» заземлять нельзя, он управляется током от 3 до 5 мА. Поэтому на схеме вывод «Строб» подключается к земле через резистор с сопротивлением 1 кОм с помощью транзистора. Транзистор может управляться уровнями ТТЛ логики. При включении транзистора (подключение входа «Строб» к земле через резистор 1 кОм) компаратор отключается.
Основные характеристики компаратора LM311:
напряжение питания 15 В, 30 В, 5 В;
максимальный входной ток 250 на;
максимальный разностный входной ток 50 нА;
диапазон дифференциальных входных напряжений 30 в;
время срабатывания 200 нС;
мощность рассеяния при напряжении питания 15 В 135 мВт.
studfiles.net
Компараторами называют электронные устройства, предназначенные для сравнения двух или более электрических величин. Компараторы часто используют для преобразования аналогового сигнала в цифровой, а также для восстановления формы искаженных цифровых сигналов. Компаратор может использоваться в качестве порогового устройства, срабатывающего в случае, если входной контролируемый сигнал превысит по величине сигнал заданный, опорный.
По виду сравниваемых входных сигналов компараторы подразделяют на две группы: аналоговые; цифровые.
Учитывая специфику данной монографии, ограничимся описанием аналоговых компараторов.
Аналоговый компаратор можно представить как простейший однобитный аналого-цифровой преобразователь. Выходной сигнал такого компаратора представлен, как правило, двумя возможными значениями, соответствующими уровням входного сигнала больше или меньше некоторой заданной пользователем величины:
♦ уровнем логической единицы;
♦ уровнем логического нуля.
В связи с этим важнейшими характеристиками компаратора являются величина и стабильность уровня (порога) перехода устройства из одного стабильного состояния в другое.
Зависимость выходного напряжения компаратора UBbIX от уровня входного UBX можно представить как
где Uon — опорное напряжение (напряжение сравнения).
Или, иными словами,
Компараторы чаще всего используют в пороговых, релейных схемах, устройствах контроля критически значимых величин.
Помимо основного назначения компараторы способны работать в качестве генераторов импульсов, аналого-цифровых преобразователях, схемах согласования логических уровней, схемах очистки зашумленных цифровых сигналов и т. д. Менее распространены двух- или более пороговые компараторы, которые наиболее часто применяют в простых индикаторах уровня входного сигнала, например, в светодиодных шкалах.
Компараторы по своему назначению или особенностям строения можно подразделить на такие группы:
♦ высоковольтные;
♦ низковольтные;
♦ маломощные компараторы, в том числе с источником опорного напряжения, в качестве которого может быть использован ОУ;
♦ повышенной выходной мощности, в том числе с защитой от перегрузки;
♦ высокоскоростные или повышенного быстродействия;
♦ с открытом выходом, выходом на КМОП, транзисторнотранзисторной или эмиттерно-связанной логике;
♦ с выходом «rail to rail»;
♦ двух- и более скоростные с автоматическим переходом на экономичный режим работы;
♦ прецизионные;
♦ многопороговые;
♦ многоканальные;
♦ с гистерезисом;
♦ стробируемые;
♦ с цифро-аналоговым преобразователем;
♦ программируемые;
♦ прочие.
Примечание.
Как правило, заметный выигрыш по одному из параметров обуславливает не менее значимый проигрыш по другому параметру. Так; например, пониженное энергопотребление компаратора достигается за счет снижения его быстродействия.
Компараторы обычно не содержат элементов частотной коррекции, имеют передаточную характеристику релейного типа и поэтому не могут использоваться в качестве линейных усилителей аналоговых сигналов, например, в качестве ОУ В то же время компараторы широко применяют для сопряжения аналоговых и цифровых устройств, на их основе могут быть созданы эффективные усилители D-класса.
Как было показано ранее, в качестве компараторов могут быть использованы обычные операционные усилители, охваченные петлей положительной обратной связи. Порок такого решения — низкая нагрузочная способность подобных устройств, поскольку для управления энергоемкой нагрузкой требуется применение усилителей мощности.
Специализированные компараторы, ориентированные, в отличие от операционных усилителей, на решение узкого круга задач, отличаются:
♦ повышенной нагрузочной способностью;
♦ быстродействием;
♦ невозможностью работы в линейном режиме.
Схемы компараторов — детекторов нуля, работающих на положительных или отрицательных перепадах входного напряжения, показаны на рис. 18.1 и 18.2. Переходная характеристика UBblx = UBbDC (UBX ) идеального компаратора имеет строго прямоугольную форму. Реальная форма этой характеристики (рис. 18.1 и рис. 18.2), определяется конечной скоростью переходных процессов, неидеальностью работы компаратора и его элементов.
Примечание.
Отмечу, что в крайне узком диапазоне входных напряжений компаратор способен работать как усилитель с крайне высоким коэффициентом усиления (порядка 105—106 и более). Очевидно, что стабильность работы такого усилителя невелика, т. к. положение его рабочей точки в существенной мере зависит от температуры окружающей среды, стабильности источников питающих напряжений и других факторов.
При желании точку переключения состояния компаратора (порог срабатывания) можно сместить в любую сторону относительно нуля.
Пример компаратора со ступенчато переключаемым — плавно регулируемым порогом срабатывания приведен на рис. 18.3.
Порог переключения компараторов не является строго фиксированной величиной. Обычно напряжение переключения компаратора нестабильно и в процессе работы хаотически смещается в ту или иную сторону от заданного уровня. Амплитуда таких флуктуаций определяется: свойствами конкретного типа компаратора; его разновидности; качеством изготовления; температурой окружающей среды; внешними воздействиями.
Примечание.
В этой связи при построении прецизионных схем сравнения напряжений необходимо предусматривать минимизацию или нейтрализацию собственных шумов компаратора.
Неприятной особенностью работы компараторов является их работа при уровнях входных сигналов вблизи порога разрешения переключения. В этом случае, если входной сигнал сильно зашумлен, на выходе компаратора появляется последовательность дельтавидных или иглоподобных апериодических импульсов, вносящих обычно сбои в работу радиоэлектронной аппаратуры.
Для минимизации паразитного переключения компаратора в условиях его работы с зашумленными сигналами иногда применяют схемотехнический прием, заключающийся в преднамеренном искажении формы переходной характеристики. На переходной характеристике такого компаратора наблюдается отчетливо выраженный гистерезис.
Рис. 18.4. Схема компаратора с гистерезисом (триггера Шмитта)
На рис. 18.4 и 18.5 показаны схемы компараторов с искусственно организованными петлями гистерезиса. Ширину петли гистерезиса AUraCT можно определить из выраже-
Рис. 18.5. Схема компаратора с регулируемой шириной петли гистерезиса
напряжение ограничения компаратора. Напряжения переключения компаратора +U и -U относительно заданного (нулевого, рис. 18.4 и 18.5, уровня) можно определить по
формуле
Компаратор уровней сигнала по амплитуде позволяет сопоставить величину (уровень) двух сигналов и переключить свой выходной уровень с логической единицы на нуль (или наоборот) в случае, если входной сигнал превысит заданный порог срабатывания компаратора.
Рис. 78.7. Схема нерегулируемого двухпорогового компаратора напряжения
Рис. 78.6. Схема двухпорогового компаратора на операционном усилителе
Отдельной проблемой сопоставления уровней сигналов является задача двух- или многопорогового разделения сигналов. Варианты решения такой задачи показаны на рис. 18.6, 18.7 [18.1]. Зависимость выхо дного сигнала от уровня входного показана на рис. 18.7.
Порог переключения компаратора Όι (рис. 18.7) устанавливают подачей напряжения Uynp. В случае, если на вход компаратора подается высокое отрицательное напряжение, то оно действует только на инвертирующий вход микросхемы DA1.
При снижении уровня входного напряжения до значения
где UVD1=0,6—0,7 В (падение напряжения на кремниевом диоде VD1), на выходе ОУ установится положительное напряжение, рис. 18.7.
При дальнейшем возрастании уровня входного напряжения вплоть до значения U2 выходное напряжение компаратора имеет уровень логической единицы. Однако, при UBx >U2 диод VD1 более не шунтирует вход ОУ, компаратор вновь переключается, на его выходе устанавливается уровень логического нуля.
Для того, чтобы плавно управлять порогом переключения компаратора, может быть использована схема, рис. 18.8 [18.1]. Потенциометром R3 устанавливают порог переключения компаратора. Ширину зоны чувствительности компаратора регулируют потенциометром R2:
Сдвоенный компаратор К1464СА1
Рис. 78.8. Схема регулируемого компаратора напряжения
[18.2] (аналог LM193, LM293, LM393, LM2903 фирмы Philips, SGS-Thomson Microelectronics и NS [18.3]) отличается от иных:
♦ малой потребляемой мощностью;
♦ возможностью сравнивать сигналы, близкие к нулевому уровню.
Рис. 78.9. Состав и цоколевка микросхемы сдвоенного компаратора К1464СА1
Компаратор (рис. 18.9) работает при напряжении питания 2—36 В (однополярное) и 2±(1 —18) В (двуполярное питание) [18.2, 18.3]. Потребляемый ток менее 1 мА при напряжении питания 5 В и 2,5 мА при 36 В. Выходной ток — свыше 6 мА. Входное напряжение смещения не свыше 7 мВ при токе до 0,25 мкА. Выходные сигналы компаратора совместимы при работе с ТТЛ, ЭС77, КМОП- логическими элементами.
Примечание.
Отмечу, что перечисленные микросхемы отличаются лишь температурной областью устойчивой работы (температурный диапазон сужается от LM193K LM393).
На следующих рисунках показаны примеры практического использования микросхемы К1464СА1 (использован лишь один из двух компараторов) [18.2].
пор.н. ^ ^пор.в.’
Типовые схемы инвертирующего и неинвертирующего компараторов на микросхеме К1464СА1 приведены на рис. 18.10 и рис. 18.11. Значения нижнего и верхнего входного порогового напряжения U, рис. 18.10, определяется как [18.2]:
Рис. 18.14. Схема совместного использования компараторов LM 193, LM293, LM393, К1464СА1 сТТЛ и КМОП- логическими элементами
Рис. 18.10. Схема инвертирующего компаратора на микросхеме К1464СА1
Рис. 18.11. Схема неинвертирующего компаратора на микросхеме К1464СА1
Unop.H Unop в Unop.H Unop.в
Рис. 18.12. Передаточные характеристики компараторов
Рис. 18.13. Компаратор на микросхеме LM193, LM293, LM393, К1464СА1
При R1=R2=R3 UnopH * UniiT /3, UnopB * 2Unm /3, что примерно совпадает с соответствующими уровнями переключения из одного устойчивого состояния в другое для КМОП-микросхем. Передаточные характеристики инвертирующего и неинвертирующего компараторов показаны на рис. 18.12.
Типовая схема использования микросхем LM193, LM293, LM393, К1464СА1 в качестве компаратора показана на рис. 18.13 [18.3].
На рис. 18.14 показаны типовые схемы использования компараторов с микросхемами ТТЛ и КМОП-серий.
На рис. 18.15 показана схема выделения прохождения сигнала через ноль: при каждом прохождении входного напряжения через ноль детектор вырабатывает короткий импульс
[18.2]. В устройстве также использован инвертирующий компаратор напряжения с гистерезисом. Диод VD1 защищает входные цепи компаратора при появлении на входе минусовых полупериодов сигнала. Напряжение питания устройства 5 В.
На рис. 18.16 и рис. 18.17 показаны примеры использования компараторов в качестве НЧ усилителей с малой (рис. 18.16) и повышенной (рис. 18.17) нагрузочной способностью [18.3]. Коэффициент передачи усилителей определяется соотношением резистивных элементов R3/R2 и равен 100.
Рис. 18.18. Схема преобразователя- индикатора магнитного поля на компараторе LM393
Рис. 18.17. Схема НЧ усилителя на компараторе LM393 с повышенной нагрузочной способностью
Рис. 18.16. Схема НЧ усилителя на компараторе LM393
Рис. 78.75. Схема детектора «нуля».
На основе компараторов серии LM193, LM293, LM393, К1464СА1 может быть изготовлен преобразователь– индикатор магнитного поля, использующий в качестве датчика катушку индуктивности L1, рис. 18.18 [18.3].
Преобразователи амплитуды входного сигнала в ширину выходного используют в измерительной технике, импульсных блоках питания, цифровых усилителях.
На рис. 18.19,18.20 приведены схемы преобразователей амплитуды в ширину импульса [18.4]. Преобразователи выполнены на основе компараторов DA1 — К554САЗ. Напряжение на входах компаратора примерно равно половине напряжения питания (задается резистивным делителем R1/R2) и различается на величину напряжения, падающего на открытом переходе диода VD1. Входное сопротивление преобразователя равно Rl(R2)/2 или 25 кОм.
При подаче на вход синусоидального сигнала или сигнала пилообразной, треугольной формы и увеличении амплитуды, начиная с некоторого порогового значения, на выходе устройства формируются прямоугольные импульсы, ширина которых зависит от амплитуды входного сигнала. Схемы не требуют настройки. Полоса рабочих частот (область низких частот) определяется емкостью конденсаторов С1 и С2.
Устройства (рис. 18.19,
Рис. 18.79. Схема преобразователя амплитуды входного сигнала в ширину выходного на компараторе К554САЗ
18.20) отличаются способом подключения входов компаратора и, соответственно,
«полярностью» выходных сигналов. Частотная зависимость порогового напряжения начала работы преобразователей при использовании Si и Ge-диодов VD1 показана на рис. 18.21.
Для Ge-диодов (Д9Г) пороговое напряжение в полосе частот 5—200 кГц составляет 80—90 мВ, для Si (КД503А) — 250—270 мВ. Максимальная амплитуда входного сигнала — 2—2,5 В. При уменьшении номиналов резисторов R1 и R2 чувствительность устройства возрастает за счет снижения прямого напряжения на диоде VD1, одновременно снижается и входное сопротивление.
Преобразователь напряжения в частоту, схема которого представлена на рис. 18.22, позволяет при изменении входного напряжения от 0 до 5 В получить на выходе линейное увеличение частоты от О до 21 кГц (коэффициент преобразования 4,2 кГц/В с нелинейностью не свыше 3%) [18.5].
Таймер на микросхеме DA1 КР1006ВИ1 включен по схеме мультивибратора, времязадающий резистор которого заменен генератором тока на операционном усилителе DA1 741 (К140УД7).
Рис. 18.23. Схема прецизионного преобразователя напряжение-частота
Для получения высокой линейности преобразования отклонение сопротивление резисторов от номинала не должно превышать 0,5 %.
Помимо основного назначения — усиления сигналов, микросхема К1464УД1 может быть использована и в устройствах иного назначения, например, для преобразования напряжения входного сигнала в частоту выходного.
Преобразователь напряжение-частота (рис. 18.23) содержит управляемый генератор из интегратора на ОУ DA1.1 и компаратора с гистерезисом на ОУ DA1.2 [18.6]. На выходе интегратора формируется линейно изменяющееся во времени напряжение, скорость нарастания которого зависит от уровня входного напряжения UBX, а направление изменения — от состояния выхода компаратора DA1.2.
На выходе преобразователя формируется последовательность импульсов прямоугольной формы, частота которых прямо пропорционально зависит от уровня входного напряжения (0—3,5 В).
На основе ОУ КР140УД1208, который работает в диапазоне питающих напряжений ±1,5…±18 В при коэффициенте усиления до 200000, может быть собрано множество конструкций, в том числе устройств сравнения, часть из которых представлена на рис. 18.24—18.26 [18.7].
Примечание.
Микросхема выгодно отличается тем, что имеет защиту от короткого замыкания в цепи нагрузки.
Рис. 18.24. Схема индикатора разрядки батареи на микросхеме КР140УД1208
Индикатор разрядки батареи, рис. 18.24, содержит узел сравнения текущего значения контролируемого напряжения с некоторым образцовым значением. Для формирования образцового
напряжения использован узел, выполненный на транзисторе VT1. При достижении критического уровня напряжения, устанавливаемого при помощи потенциометра R9, включается генератор звуковых сигналов, выполненный на микросхеме DA1. В качестве излучателя звука использован пьезокерамический излучатель BF1 (ЗП-З).
Рис. 18.25. Упрощенный вариант индикатора разрядки батарей с визуальной индикацией
Емкость конденсатора С1 подбирают по максимальной громкости звучания пьезокерамического излучателя (настройка на его резонансную частоту).
Упрощенный вариант индикатора со светодиодной индикацией показан на рис. 18.25. Порог срабатывания (6,5 В) подбирают регулировкой потенциометра R2. Ток «молчания» индикаторов — 0,1 мА, индикации — 1 мА.
Индикатор электрического поля, схема которого представлена на рис. 18.26, предназначен для дистанционного бесконтактного контроля уровня электрического поля при приближении обслуживающего персонала к токонесущим конструкциям высокого напряжения.
В качестве антенны, определяющей чувствительность устройства, использована пластинка из фольгированного стеклотекстолита 55×33 мм, спрятанная в корпусе. Прибор срабатывает при приближении антенны к проводке под напряжением 220 В на расстояние не менее 50 см.
Совет.
Последовательно со светодиодом HL1 и капсюлем BF1 полезно включить токоограничивающий резистор сопротивлением до 300 Ом.
Рис. 18.26. Схема аудиовизуального индикатора электрического поля на микросхеме КР140УД1208
На основе компаратора DA1 КР554САЗБ может быть собрана схема фото- или термочувствительного реле, рис. 18.27 [18.8]. В первой из схем
(слева) в качестве светочувствительного элемента использован фотодиод VD1 КФДМ (или иной), входящий в состав сбалансированного резистивного моста. Балансировку моста осуществляют регулировкой потенциометра R2. К диагонали моста подключены входы компаратора DA1. Схема отрегулирована таким образом, чтобы при изменении уровня светового потока, падающего на приемную площадку фотоприемника, происходило переключение компаратора.
Примечание.
Если перед светочувствительным элементом установить светофильтр, можно создать прибор, чувствительный к излучению в определенной области спектра. Если использовать поляризационный светофильтр, прибор будет реагировать только на световой поток соответствующей поляризации. Такие устройства можно использовать, например, для автоматического открывания дверей ворот или гаража, когда к ним подъезжает автомобиль хозяина. Для повышения надежности срабатывания реле можно воспользоваться схемой совпадения, таким образом, реле будет срабатывать, если свойства сигнала-ключа будут отвечать, по меньшей мере, двум ключевым признакам.
В качестве нагрузки в реле [18.8] использовано оптоэлектронное реле 5П19.10ТМА-3-6, коммутирующее лампу накаливания, либо иную другую нагрузку.
Рис. 18.27. Схема фото- или термочувствительного реле на компараторе КР554САЗБ
Совет.
Вместо оптоэлектронного можно использовать и обычное электромагнитное реле с током срабатывания до 50 мА, обмотку которого в целях защиты выходного транзистора компаратора следует защитить параллельно подключенным диодом или электролитическим конденсатором.
Светодиод HL1 предназначен для визуального контроля момента срабатывания компаратора.
При желании фото- чувствительное реле (рис. 18.27, слева) легко преобразовывать в термочувствительное (рис. 18.27, справа). В качестве термочувствительного элемента можно использовать обычный кремниевый диод VD1, например, КД103А>
КД102А и др. Для снижения инерционности контроля в качестве датчика следует выбирать диод с минимальной массой.
Несколько модифицировав схему (рис. 18.27), можно получить реле времени для использования освещения подъездов и лестничных клеток, рис. 18.28 [18.8].
При кратковременном нажатии на любую из параллельно установленных на каждом этаже кнопок SB1—SBn кратковременно (на время, определяемое произведением R1C2), примерно на 60 с, включится лампа накаливания. Конденсатор С2 должен иметь малый ток утечки.
Пороговый индикатор превышения заданного уровня температуры, схема которого представлена на рис. 18.29 [18.9], может быть использован для автоматического регулирования теплового режима теплиц, инкубаторов, нагревательных узлов, систем сигнализации и т. д.
В устройстве использован компаратор DA1, нагруженный на светодиодный излучатель HL1. Питание индикатора стабилизировано. В качестве датчика температуры использован терморезистор R3 (или иной датчик). Рабочая точка (температура срабатывания) задается регулировкой потенциометра R4. Схему легко настроить на включение или отключении нагрузки (индикатора), поменяв его входы местами. В качестве датчика можно использовать, при необходимости, элементы, чувствительные к изменению освещенности (фоторезисторы), электрического поля (полевые транзисторы) и т. д.
Генератор на основе инвертирующего компаратора напряжения с гистерезисом на микросхеме К1464СА1, рис. 18.30,
вырабатывает короткие импульсы прямоугольной формы частотой 16 кГц [18.2]. Длительность импульса равна 0,7R4C1, паузы — 0,7R1C1, следовательно, период импульсов равен 0,7C1(R4+R1), а частота — 1,44/Cl (R4+R1).
Рис. 18.31. Схема удвоителя частоты на основе компараторе
Рис. 18.30. Схема генератора прямоугольных импульсов на компараторе
Пороговое устройство–компаратор может быть использовано в качестве широкодиапазонного (в определенных пределах) удвоителя частоты сигналов, рис. 18.31 [18.10]. Работа устройства основана на запоминании уровня сигналов на том или ином входе компаратора и последующем динамическом сопоставлении их уровня в ходе переходных процессов при заряде/раз- ряде конденсаторов.
В итоге на выходе устройства формируется последовательность импульсов с удвоенной по отношению к входному сигналу частотой, рис. 18.32. Входной сигнал имеет частоту 500—1000 Гц при амплитуде до 10 В.
Для иных частот потребуется подбор RC-элементов входных цепей.
Рис. 18.32. Входные и выходные сигналы удвоителя частоты на основе компараторе
Рис. 18.33. Схема устройства защиты от перенапряжения
Простое устройство (рис. 18.33) предназначено для защиты радиоэлектронного оборудования от недопустимых перепадов напряжения [18.11]. При снижении напряжения на входе устройства ниже некоторого заданного при помощи потенциометра R4 уровня сработает реле, отключив/подклю- чив своими контактами нагрузку, элемент защиты или стабилизации и т. п.
В качестве стабилитрона VD1 можно использовать стабилитрон на напряжение 3,3—5,1 В. Величина сопротивления R1 вычисляется исходя из того, чтобы напряжение на входном резистивном делителе R1—R2 примерно соответствовало напряжению на его движке, установленном посередине (т. е. примерно 2,4 В для стабилитрона КС147). Рассчитать
U, -U,
величину этого сопротивления можно из выражения: Rl=——-R2,
где Uj — входное напряжение срабатывания устройства, U2 — напряжение, примерно равное 2,4 В для стабилитрона КС147. Так, для 1^=100 В Rl=407 (390) кОм.
Напряжение питания устройства может быть выбрано в пределах 9—24 В. Следует лишь учитывать, чтобы реле надежно и без гистерезиса переключалось, а элементы схемы работали без перегрузок. На практике устройство можно использовать для автоматической записи телефонных разговоров. В этом случае параллельно резистору R2 рекомендуется подключить электролитический конденсатор емкостью не менее 100 мкФ.
Схема включения компаратора, рис. 18.34 [18.3], позволяет за счет наличия в его входных цепях RC-элементов отфильтровывать высокочастотные (R2C1) и низкочастотные (R1C2) наводки на полезный сигнал.
Пороговое устройство для слежения за температурным режимом, рис. 18.35, выполнено на микросхеме LM393 [18.12]. В качестве датчика температуры использован терморезистор R2, имеющий отрицательный температурный коэффициент. Для измерений используется традиционная мостовая резистивная схема.
Для сравнений уровней напряжения на диагонали моста использован компаратор. Порог срабатывания компаратора плавно регулируют потенциометром R4. Для звуковой индикации используют зуммер BF1 с пятивольтовым питанием (или заменяющий его мультивибратор с телефонным капсюлем в цепи нагрузки).
Рекомендуемые уровни напря
жений: 4,9 В — на выводе 5 микросхемы; 2,9 В — на выводе 6.
Параллельно шинам питания включают электролитический (470 мкФ) и керамический (0,1 мкФ) конденсаторы.
С использованием линейки однотипных компараторов (рис. 18.36) можно получить устройство светодиодной индикации уровня входного сигнала, например, радиоприемника, аудиоплеера [18.13]. Сетка опорных напряжений образуется на резистивном делителе R1—R9, образованном однономинальными резисторами. Входное напряжение поступает на неинвертирующие входы всех компараторов одновременно.
По мере повышения уровня входного напряжения поочередно будут высвечиваться светодиоды снизу вверх (по схеме), визуально в соответствии с уровнем входного сигнала будет перемещаться вверх-вниз или влево-вправо светящаяся точка, динамически показывающая уровень сигнала на входе устройства.
Чувствительность индикатора можно варьировать, подбирая соотношение номиналов входного резистивного делителя R10/R11.
Вход устройства можно подключить к движку потенциометра узла электронной настройки радиоприемника. В этом случае светодиодная шкала будет индицировать частоту приема, что особенно удобно при эксплуатации радиоприемника или передатчика в темное время суток.
Используя изложенный выше принцип поочередного управления нагрузками при изменении уровня входного управляющего напряжения, можно решить задачу многокомандного управления нагрузками по двухпроводной линии, рис. 18.37 [18.14]. Для этого использован выносной пульт-делитель напряжения, дающего при нажатии на кнопки S1—S8 сетку опорных управляющих напряжений.
Для дешифровки и преобразования уровней напряжения, поступающих по двухпроводной линии, использована линейка из восьми однотипных компараторов. Выходы компараторов через токоограничивающие резисторы R20—R27 соединены с входами КМОП-инверторов, в качестве которых могут быть использованы элементы КМОП-микросхем серии К561у К564у например, К561ЛН1УК561ЛН2 и им подобные (К564ЛЕ5, К561ЛА7 с параллельно включенными входами по схеме инвертора). Диодные цепочки, выполненные на германиевых диодах, предназначены для выполнения условия установки нулевого уровня сигнала на выходе задействованного канала управления.
Как следует из анализа схемы многоканального управления нагрузок, устройство избыточно усложнено. Например, за счет использования всего одной специализированной поликомпараторной микросхемы — амплитудного мультиплексора UAA180 (К1003ПП1) эта же задача может быть решена в расширенном варианте: двухпроводное управление 12-ю нагрузками при токе нагрузки до 10 мА [18.15—18.17].
Рис. 1837. Схема двухпроводного восьмикомандного управления по двум проводам
Рис. 1838. Схема многокомандного управления нагрузками по двухпроводной линии
Поликомпараторное устройство многокомандного управления нагрузками по двухпроводной линии [18.15] представлено на рис. 18.38.
Оно выполнено на основе специализированной микросхемы UAA180 (К1003ПП1), предназначенной для 12-ти ступенчатого дискретного преобразования уровня аналогового сигнала на управляющем входе в номер коммутируемого канала индикации. При размыкании одного из ключей S1—S12 на управляющем входе микросхемы DA1 формируется сигнал с напряжением по сетке 0—0,5—1,0— … 5,5 В (всего 12 уровней). Соответственно величине управляющего сигнала к шине питания подключается одна из 12-и нагрузок, варианты выполнения которых А и В представлены на рис. 18.38.
Если в качестве нагрузки включить резистор сопротивлением порядка 1 кОм и более, с этого сопротивления можно снимать логический сигнал с уровнем 1/0 для управления цифровыми логическими КМОП- устройствами.
Для формирования сетки напряжений необходим подбор номиналов резистивного делителя R1—R11. Проще всего подобрать эти резисторы можно путем замены каждого из резисторов потенциометром, регулировкой которого при нажатии на одну из кнопок S1—S11 следует добиться срабатывания требуемого канала индикации. Далее потенциометр можно заменить обычным резистором (или их набором) соответствующего номинала.
Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.
nauchebe.net