Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Аналоговые компараторы

Аналоговые компараторы

Аналоговые компараторыНазвание 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, — компараторы напряжения.

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.

Аналоговые компараторы

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.

Функциональная схема компаратора

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.

Упрощенная функциональная схема компаратора

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.

Упрощенная структурная схема компаратора

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.

Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код

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.

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.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

На рис 1 135 показана схема параллельного компаратора для двух 24 разрядных слов Здесь младший ( нижний в схеме) компаратор СП1 используется как четырехразрядный, четыре старших — как пятиразрядные ( входы 1 ( АВ) и 1 ( АВ) служат пятой парой разрядных входов, те А4 и В4 соответственно) На входы 1 ( АВ) стар ших компараторов подано напряжение нулевого уровня Таким способом и одиночную микросхему СУП.  [31]

На этой же лампе собрана схема диодно-реге-неративного компаратора , которая вместе с блоком 2 ( рис. 5.3) является основным элементом регулирующего узла.  [32]

Операционный усилитель А2 включен по схеме компаратора . В исходном состоянии реле абсолютное значение UBX меньше абсолютного значения опорного напряжения, поэтому напряжение на выходе усилителя А1 имеет положительную полярность. На его выходе появляется напряжение отрицательной полярности. Оно через резистор R22 подается на вход запись ( счетный вход) счетчика и через резистор R21 на базу транзистора VT, закрывая его. Одновременно через открытый диод VD7 положительный потенциал подан на вход сброс счетчика. При этом на выходе счетчика устанавливается логический нуль. Одновременно закрывается диод VD7 и снимает положительный потенциал с входа сброс счетчика.  [33]

На рисунке 15.6, а изображена схема компаратора , а на рисунке 15.6, б — временные диаграммы его работы. Операционный усилитель компаратора работает без обратной связи с заземленным инверсным входом.  [35]

На рис. 13.21, а приведена схема компаратора , а на рис. 13.21, б — временные диаграммы его работы. Операционный усилитель компаратора работает без обратной связи с заземленным инверсным входом.  [37]

На рис. 8.46, а изображена схема простейшего компаратора на операционном усилителе для сравнения напряжений одного знака.  [39]

Схема компаратора СП 1 состоит из схем одноразрядных компараторов , изображенных на рис. 11.1, и элементов И — ИЛИ — НЕ в соответствии с приведенными аналитическими выражениями. В большинстве справочников ( например, в [44]) для компаратора СП1 приводится схема, следующая из этих выражений, преобразованных по формуле Моргана, а вместо элементов И — ИЛИ — НЕ в ней используются конъюнкторы с инверсными входами.  [40]

Показания газоанализаторов теплопроводности, основанных на схеме компаратора напряжения , практически не зависят от изменения напряжения и температуры окружающей среды, так как эти изменения одинаково влияют на оба моста схемы. Это обстоятельство исключает, в частности, необходимость применения термостатирующих устройств.  [41]

Операционные усилители широко используются также в схемах компараторов , формирователей импульсов, генераторов электрических сигналов, ограничителей, усилителей и во многих других устройствах.  [42]

В качестве примера на рис. 1.30 6 приведена схема двухуровневого компаратора .  [43]

Принципиальная электрическая схема компаратора типа К521СА5 значительно проще, чем схема компаратора К521СА4, а технические характеристики ее выше.  [44]

Аналогично могут быть найдены и остальные функции fj и построена схема адресного компаратора .  [45]

Некоторые вопросы о схеме компаратора, используемой в качестве буфера

Я хочу аппаратно запустить модуль с аналогового выхода отдельной удаленной системы сбора данных. Вход аппаратного триггера модуля оптически изолирован для предотвращения проблем заземления. И руководство модуля также упоминает следующее:

введите описание изображения здесь

А аналоговый выход ЦАП системы сбора данных может иметь максимальный источник 5 мА.

Мне кажется, что если я могу послать сигнал напряжения одного импульса с амплитудой между 5 В или 10 В на модуль, я могу запустить его. Но так как ток может быть проблемой для ЦАП, я решил использовать буфер для сигнала триггера.

Таким образом, следующая схема буферизует импульсный сигнал с обеспечением более высокого тока.

введите описание изображения здесь

R8 предназначен для опускания, когда разъем ЦАП отключен.

R9, D1, D2 предназначены для защиты от обратного напряжения.

C1 может помочь для высокой частоты. шум

R1, R2, R3 задает ссылку с гистерезисом вокруг 0.5V.

R7 и C2 предназначены для уменьшения шума на Vcc компаратора.

Остальное — резистор с открытым коллектором и PNP-транзистор для ослабления выходного тока операционного усилителя. Вот информация о потребляемом токе компаратора (мин. 6 мА, типичное значение 16 мА):

введите описание изображения здесь

Ниже приведен график LTspice, показывающий красный входной импульс 5 В и синее напряжение на неинвертирующем входе Vn (указывает на гистерезис). Другой зеленый график показывает выходной ток компаратора.

введите описание изображения здесь

Я хочу использовать эту схему для импульсных входов от 5 до 10 В, чтобы получить напряжение запуска около 12 В. Кажется, в симуляции это работает так, как я хочу.

1-) Но я не хочу вызывать задержку более 10 мс между входом и триггером. Как я могу определить это? Я слышал, что большой гистерезис может вызвать задержки. Это лучший способ проверить из симуляции?

2-) Я не могу найти максимальный ток, который компаратор может получить в паспорте. Вот почему я использовал транзистор на выходе. Можно ли мне помочь, если он может найти / увидеть это?

3- Есть ли что-то принципиально не так с этой схемой.

Тони Э. Ракетолог

newage2000

Тони Э. Ракетолог

newage2000

Тони Э. Ракетолог

Trevor_G

1-) Но я не хочу вызывать задержку более 10 мс между входом и триггером. Как я могу определить это? Я слышал, что большой гистерезис может вызвать задержки. Это лучший способ проверить из симуляции?

Это не должно быть проблемой. Само устройство имеет время отклика около 1 мкс. Гистерезис не будет проблемой, если у вас нет фильтрующей емкости. Ваша единственная возможная причина задержек — слишком высокая емкость на С1 или медленное время спада / нарастания на базе транзистора, если ваши резисторы слишком велики.

2-) Я не могу найти максимальный ток, который компаратор может получить в паспорте. Вот почему я использовал транзистор на выходе. Можно ли мне помочь, если он может найти / увидеть это?

Это устройство, как и большинство компараторов, является выходом с открытым коллектором. Как таковой, он не является источником тока. Это важно помнить, так как вам нужно рассчитать свой гистерезис, используя R3, R4 И R5, когда выходной сигнал высокий.

3- Есть ли что-то принципиально не так с этой схемой.

По сути, я не вижу ничего ослепительного. Это может быть серьезным излишним, хотя это может быть легко приспособлено с помощью пары транзисторов. С этой схемой я мог бы рассмотреть возможность разъединения верхней части делителя эталонного напряжения с помощью другого фильтра 100R / 1uF, как вы сделали для шины компаратора, просто чтобы сделать это немного тише. Я мог бы прикрепить вершину R5 там тоже.

Обозначение компаратора на схеме

Радиостанции портативные, автомобильные, базовые

Радиомодемы 3G, GSM сотовые модемы

Антенны, автомобильные, базовые. VHF, UHF, GSM, CDMA

Блоки питания и преобразователи напряжения

GSM ретрансляторы

Общие сведения

Компаратор (лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство — логический электронный прибор с двумя входами и одним выходом. Компаратор выдает высокое напряжение (логическая 1) в случае, если напряжение на первом (прямом) входе выше, чем на втором (инвертирующем) и низкое выходное напряжение (логический 0) если напряжение первого входа ниже вольтажа второго.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями.

Способ реализации компаратора — операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления. Если подать на один его вход (например инверсный) какой то постоянный уровень опорного напряжения, а на другой вход (прямой) изменяющийся сигнал — выходное напряжение у него изменится скачком, от минимального до максимального в тот момент, когда уровень входного сигнала превысит уровень сигнала опорного напряжения, установленного на другом входе, и наоборот.

Компаратор

Таким образом, если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже — закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.

Применение компараторов

Основное назначение компараторов — оцифровка аналоговых сигналов. С помощью компараторов осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств. Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля

На компараторах можно собирать различные устройства, такие как терморегуляторы, стабилизаторы, различные устройства автоматики — используя для изменения входного сигнала различные датчики, такие как, терморезисторы, фоторезисторы, индикаторы влажности и т.д.

Выходные каскады компараторов рассчитаны таким образом, чтобы их выходное напряжение соответствовало бы входному логическому уровню многих цифровых микросхем, поэтому их ещё могут называть формирователями.

Схемы практической реализации устройств на основе компараторов

В качестве примера возмем распространённый компаратор К554СА3, (зарубежные аналоги LM-111, LM-211, LM-311).

На выходе этого компаратора включен транзистор с открытыми коллектором и эмиттером, и в зависимости от необходимого результата на выходе, его можно подключать по схеме с общим эмиттером или эмиттерным повторителем.

Схема включения компаратора для одно-полярного питания изображена на рисунке 1, для двух-полярного питания на рисунке 2.

Компаратор
Рисунок 1.

Схема включения компаратора в одно-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.
Напряжение питания +5 вольт указано для уровня логики ТТЛ микросхем.

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

Компаратор

Рисунок 2.
Схема включения компаратора в двух-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.

В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения.
Напряжение питания компаратора может быть 5 — 36 вольт одно-полярного (или сумма двух-полярного) напряжения.

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.

Компаратор

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;

Компаратор

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

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Швеллер п16 вес 1 метра
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector