Alp22.ru

Промышленное строительство
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Компаратор схема и принцип работы

Компаратор схема и принцип работы

Давайте немного отвлечемся и представим спортивные состязания по бегу. После того как спортсмен финишировал, его результат сравнивают с рекордом для этой дистанции. Если бегун не превысил мировое достижение, то говорят, что «рекорд устоял». Но если время, оказалось меньше рекордного, то бегун установил новый мировой рекорд.

Компаратор работает также по сути. Как я уже упоменул, он имеет два входа и один выход. На один из входов поступает напряжение или ток, неизменные во временном диапазоне, т.е опорный сигнал. С ним осуществляется сравнение сигнала, уровень которого неизвестен.

Например, мы хотим сравнить напряжение от аккумуляторной батареи, которая заряжается в самодельном зарядном устройстве с опорным напряжением от блока питания. Если аккумулятор заряжается его напряжение ниже опорного, то никаких изменений на выходе ОУ не случится. Но если потенциал аккумулятора окажется выше опорного напряжение, компаратор переключится, и на его выходе появится сигнал, который можно использовать для отключения зарядного устройства от сети.

Я привел пример принципа действия только одного типа этих устройств. На самом деле их гораздо больше, например они могут сравнивать два непрерывно меняющихся сигнала. Такое устройство переключается из одного логического состояния в другое, в моментсовпадения уровней входных сигналов. Другие вырабатывают при совпадении короткий одиночный импульс или серию импульсов, работающих в момент совпадения полярностей входных сигналов.

Используются они во многих электронных устройствах и самоделках. Но наиболее главная их область конструкции, работа которых базируется на преобразовании аналоговых уровней в логические.

Вот простейший пример работы, цифровой вольтметр на светодиодах. Один из его основных частей — схема сравнения на операционном усилителе.

Напрашивается вывод, что эти устройства успешно соединили в себе свойства аналоговых и цифровых схем, а их основное назначение это преобразование сигналов.

Схему простого из них можно собрать всего на одном операционном усилителе. На инвертирующий вход через ограничительное сопротивление R1 поступает опорное напряжение. На другой через резистор R2 измерительный сигнал. Превращается обычный ОУ в прибор сравнения очень просто, путем ввода обратной связи в виде сопротивления R3.

Рассмотрим работу схемы. В исходный момент напряжение на выходе ОУ равно нулю. Если подать на измерительный вход поступает напряжение, значение которого меньше опорного, то состояние не изменится. Если напряжение на измерительном входе превысит опорное, выходное напряжение начнет увеличиваться. Через цепь ОС оно следует на измерительный вход, что, только увеличит входной ток. В результате выходное напряжение возрастет еще выше. Короче говоря, процесс приобретает лавинообразный характер и напряжение на выходе операционного усилителя скачком увеличится до максимального уровня. Таким образом, компаратор перейдет из «нулевого» состояния в «единичное».

Сигнал с датчика проходит на прямой вывод устройства сравнения на операционном усилителе CA3130. На инвертирующий вход этого же ОУ, поступает опорное напряжение с делителя. Переменным сопротивлением R4 задают требуемый температурный режим.

Система Импульсно Фазового Управления осуществляет синусоидальное преобразование напряжения сети в последовательность прямоугольных импульсов, следующих на регулирующие выводы силовых тиристоров. При включении схемы переменное напряжение номиналом 14 — 16 вольт проходит на мостовой выпрямитель и преобразуется в пульсирующее, служащее не только для питания конструкции, но и для синхронизации работы устройства. Диод D2 не дает сглаживать импульсы емкости С1. Затем импульсы следуют на «детектор нуля» выполненный на операционном усилителе LM324 элементе DA1.1, включенного в знакомом нам режиме.

Читайте так же:
Для чего нужна зенковка

Использование ОУ в качестве компаратора

Компаратор — это устройство, которое подает на свой выход сигнал равный разнице между двумя входными сигналами, умноженной на очень большой коэффициент. Тоже-самое делает и операционный усилитель. Разница лишь в том, что компаратор работает без обратной связи и выдает логический уровень, а ОУ предназначен для работы с обратной связью и выдает аналоговый сигнал.

Недавно, думал над проектом в котором уже использовались ОУ и, нужны были компараторы. Естественно, появился соблазн использовать ОУ в качестве компараторов. Но можно ли так делать?

ОУ в качестве компаратора

Если кратко, то лучше — не нужно, если длинно, то вот почему:

Скорость

ОУ рассчитаны для работы с маленькой разницей между входными сигналами. При большой разнице, транзисторы где-то в недрах микросхемы могут насыщаться и от этого скорость может упасть на порядки. Тоесть, если у нас есть 10МГц ОУ, это совсем не значит что из него получится компаратор с временем реакции в 100нс. Получается такая парадоксальная ситуация — разница между напряжениями входов увеличивается, а время реакции компаратора уменьшается.

Конечно, не все ОУ насыщаются и это нужно проверять, если вам нужна скорость.

Входные цепи

Опять-же, из-за того, что ОУ рассчитывают для работы с маленькой разницей входных напряжений, входные цепи могут повести себя совсем не так как вы думаете. К примеру, там могут стоять защитные диоды, которые просто замкнут входы друг на друга.

Защитные диоды

На такую проблему я нарвался, когда пытался использовать LVDS-приемники spartan3 в качестве компараторов.

Кроме того, у ОУ есть такое явление, как инверсия фазы. Когда внутренние цепи входят в насыщение, выходной сигнал внезапно меняет фазу и получается вот такая картина:
Инверсия фазы

Практически все современные ОУ не страдают такой болезнью, но лучше проверить это на макетке, если вы, все-таки, собираетесь использовать ОУ в качестве компаратора. Производители обычно не пишут о том, что ОУ страдает инверсией фазы, зато, с радостью, сообщают если инверсии фазы нет.

Выходное напряжение

Компараторы часто рассчитываются для работы с определенным логическим стандартом, а вот ОУ — нет. И есть шанс не попасть в логические уровни. Не забывайте, что размах напряжений на выходе ОУ ограничен и неплохо бы проверить — совместим ли он с вашей логикой. Конечно, это не касается rail-to-rail ОУ.

Ограничение размаха напряжения

Если напряжение питания ОУ больше чем логические напряжения, придется строить согласователь уровней и вот тут вся экономия на покупке отдельного компаратора, скорее-всего, пропадет.

metodichki_SAEY / Компаратор

Московский технический университет связи и информатики.

Экспериментальное определение спектральных характеристик компаратора.

Изучение принципов работы компаратора.

. Перед преступлением к выполнению следует ознакомиться со следующими понятиями:

2.2. Нарисовать структурную схему эксперимента.

Читайте так же:
Гибкая насадка для шуруповерта

2.3. Сделать вывод.

Компаратор — это операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (Uвх) с опорным напряжением (Uоп) (рис.1). Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности. Входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжение уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например, с U + вых max на U — вых max . При равенстве Uоп =0 ОУ осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, поскольку его переключение происходит при Uвх – Uоп ≈0.

Рис.1. Схема компаратора на операционном усилителе.

Величина и полярность выходного напряжения компаратора (рис.2) определяется в соответствии с выражением

где U + — напряжение на неинвертирующем выходе ОУ,

U — — напряжение на инвертирующем выходе ОУ,

K — коэффициент усилителя ОУ.

Поскольку K → ∞ (10 4 10 6 ) компараторы осуществляют сравнение входного Uвх и опорного напряжения Uок с высокой точностью.

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления и в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности Аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей).

Рис.2. Передаточная характеристика компаратора на операционном усилителе

Однако, 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 (дребезжания). Для предотвращения этого используется компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью, осуществляемой по инвертирующему входу с помощью резисторов R1 , R2 ( рис.3. ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (Которая заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее.) (рис.4.). Схема известна под названием триггера Шмитта или порогового устройства.

Рис.3. Схема компаратора с положительной обратной связью.

Рис.4. Идеализированная передаточная характеристика триггера Шмитта

Переключение схемы в состояние U – вых max при достижении Uвх напряжения (порога) срабатывания Uср , а возращение в исходное состояние Uвых= U + вых max — при снижении Uвх до напряжения (порога) отпускания Uотп . Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив Uo=0.

Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения –доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы». Задержка срабатывания таких микросхем составляет менее 1мкс, а время нарастания –сотые доли микросекунды.

Методические указания по выполнению лабораторной работы.

Загрузить программу схемотехнического моделирования MC 7…10 двойным щелчком по ее пиктограмме. Далее выбрав команду File, потом – Open, открыть схему под названием «compdemo», рис. 1.

Записки программиста

Ранее мы с вами познакомились с такими интегральными схемами, как таймер 555, счетчик 4026, логические вентили, а также сдвиговые регистры и декодеры. Теперь же пришло время узнать о компараторах. Несмотря на кажущуюся простоту, компараторы — куда более интересные устройства, чем может показаться на первый взгляд. Читайте далее, и сможете убедиться в этом самостоятельно.

Читайте так же:
Какой мощности шуруповерт для дома

Крайне наглядная картинка, объясняющая работу компаратора, была найдена в книге Чарльза Платта Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. С некоторыми изменениями эта иллюстрация приведена ниже:

Внутреннее устройство компаратора

Компаратор имеет два входа, обозначаемые знаками минус (инвертирующий вход) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход компаратора обязательно должен быть подключен к плюсу источника питания через подтягивающий резистор. Почему нельзя было сделать это просто внутри микросхемы, скоро станет понятно.

Используется компаратор следующим образом. На инвертирующий вход подается эталонное напряжение. Когда напряжение на втором, неинвертирующем, входе больше эталонного, выход компаратора имеет высокое напряжение. Если же напряжение на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход компаратора имеет низкое напряжение. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения напряжения и на выходе говорит, какое больше. Входы компаратора можно использовать и наоборот, тогда выход компаратора будет инвертирован.

В качестве типичной микросхемы, содержащей внутри себя целых 4 компаратора, можно назвать LM339. Данный чип выпускается как в виде SMD-компонента, так и варианте для монтажа через отверстия. Распиновка у LM339 следующая:

Распиновка LM339

На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:

Примеры использования компаратора

Важно! По неудачному стечению обстоятельств, компаратор обозначается на схемах точно так же, как и операционный усилитель. Однако операционные усилители работают иначе, нежели компараторы, и их не следует путать. Определить, что именно используется в схеме, обычно можно по указанному названию чипа.

В левой части схемы изображен компаратор, чей выход соединяется с неинвертирующим входом через потенциометр или резистор. Это — так называемая положительная обратная связь. Благодаря ей достигается гистерезис. То есть, если напряжение на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором коридоре возле эталонного, выход компаратора не будет постоянно изменяться. Если помните, триггер Шмитта (чип 74HC14) делает то же самое.

Кстати, можно заметить, что одна из связей на потенциометре в положительной обратной связи как бы лишняя. Как объяснил мне Melted Metal, так принято делать на случай потери контакта движка потенциометра с резистивной дорожкой.

Что же касается правой части схемы, на ней изображена схема двухпорогового компаратора. Если вход схемы, обозначенный, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокое напряжение. В противном случае напряжение на выходе низкое.

На следующем фото изображена первая схема, собранная на макетной плате:

Пример использования LM339, собранный на макетке

Потенциометр слева задает напряжение на инвертирующем входе, а потенциометр справа — на неинвертирующем. Потенциометр по центру участвует в положительной обратной связи. Напряжение на обоих входах отображается при помощи миниатюрных цифровых вольтметров. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе выше эталонного, светодиод, подключенный к выходу компаратора, горит.

Обратите внимание, что на входы неиспользованных компараторов также подается высокое и низкое напряжение. Это увеличивает надежность работы схемы и уменьшает потребляемую ею электроэнергию. Не имеет значения, на какой из входов подается высокое напряжение, а на какой — низкое. Главное, чтобы выход каждого отдельного компаратора был строго определен.

Читайте так же:
Количество ниток на дюйм

Вторую схему в собранном виде здесь я не привожу. Так что, вам придется поверить мне на слово, что она работает 🙂

Помимо всех озвученных выше, следует иметь в виду еще пару важных моментов:

  • Через компаратор не следует пропускать слишком большой ток. Ток больше 20 мА может его сжечь;
  • Напряжение на выходе компаратора может быть как выше, так и ниже напряжения на любом из входов. То есть, выход можно питать от совершенно другого источника питания. А питание на саму микросхему при этом может идти от третьего. Для правильной работы микросхемы нужно только, чтобы все эти источники имели общую землю;

Последнее обстоятельство позволяет использовать компаратор в качестве преобразователя уровня сигнала. Кроме того, теперь наконец-то стало ясно, зачем были все эти сложности со внешним подтягивающим резистором.

Вообще, компаратор можно рассматривать, как очень простой вольтметр или АЦП. В частности, с его помощью не представляет труда собрать индикатор уровня заряда Li-Ion аккумулятора. Если же у вас есть лишний фоторезистор (см заметку Мои первые страшные опыты с Arduino) или фототранзистор, на базе компаратора можно сделать датчик освещения. Если же вместо фоторезистора воспользоваться термометром типа TMP36, можно собрать устройство, управляющее кулером или кондиционером, способное регулировать температуру.

Наконец, компаратор можно использовать в качестве логического элемента НЕ, а также, если соединить выходы нескольких компараторов, в качестве И. Отсюда несложно получить ИЛИ, по форуме x || y = !(!x && !y) , ровно как и любую другую булеву функцию. Само собой разумеется, при желании можно придумать и другие применения.

Комбинационные микросхемы. Часть 1

Микросхемы компараторов кодов (английское Comparator ) применяются для сравнения двух входных кодов и выдачи на выходы сигналов о результатах этого сравнения (о равенстве или неравенстве кодов). На схемах компараторы кодов обозначаются двумя символами равенства: «= http://www.intuit.ru/2010/edi» >

Примером такой микросхемы может служить СП1 — 4-х разрядный компаратор кодов, сравнивающий величины кодов и выдающий информацию о том, какой код больше, или о равенстве кодов (рис. 5.16).

Помимо восьми входов для сравниваемых кодов (два 4-х разрядных кода, обозначаемых А0. А3 и В0. В3), компаратор СП1 имеет три управляющих входа для наращивания разрядности (А>B, A<B, A=B) и три выхода результирующих сигналов (А>B, A<B, A=B). Для удобства на схемах управляющие входы и выходы иногда обозначают просто «>», «<» и » http://www.intuit.ru/2010/edi» >

Таблица истинности компаратора кодов (табл. 5.4) кажется на первый взгляд довольно сложной, но на самом деле все просто.

Если используется одиночная микросхема, то для ее правильной работы достаточно подать единицу на вход A = B, а состояния входов A<B и A>B не важны, на них можно подать как нуль, так и единицу. Назначение выходов понятно из их названия, а полярность выходных сигналов положительная (активный уровень — единица). Если микросхемы компараторов кодов каскадируются (об­ъе­ди­ня­ют­ся) для увеличения числа разрядов сравниваемых кодов, то надо выходные сигналы микросхемы, обрабатывающей младшие разряды кода, подать на одноименные входы микросхемы, обрабатывающей старшие разряды кода (рис. 5.17).

Читайте так же:
Хорошая ручная пила по дереву
Таблица 5.4. Таблица истинности компаратора СП1

Входы сравниваемых кодовВходы наращиванияВыходы
A3,B3A2,B2A1,B1A0,B0A>BA<BA=BA>BA<BA=B
A3>B3XXXXXX1
A3<B3XXXXXX1
A3=B3A2>B2XXXXX1
A3=B3A2<B2XXXXX1
A3=B3A2=B2A1>B1XXXX1
A3=B3A2=B2A1<B1XXXX1
A3=B3A2=B2A1=B1A0>B0XXX1
A3=B3A2=B2A1=B1A0<B0XXX1
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B011
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B011
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0XX11
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B011
A3=B3A2=B2A1=B1A0=B011

В зарубежные стандартные серии входят также и 8-разрядные компараторы, сравнивающие два кода по величине (то есть имеющие выходы «=», «>» и «<«). Примером может служить микросхема SN74AS885.

Одно из основных применений компараторов кодов состоит в селектировании входных кодов. В этом случае достаточно иметь информацию только о совпадении кодов на входах компаратора, а не о соотношении их величин. Интересующий нас код (эталонный) подается на один вход компаратора, а изменяющийся код (входной) — на другой вход. Используется только выход равенства кодов А = В. Для подобных применений выпускаются и специальные компараторы, определяющие только совпадение кодов. Примерами могут служить 8-разрядные микросхемы SN74ALS520, SN74ALS521, DC102A фирмы Dionics (отечественный аналог — КР559СК1), а также 6-разрядная микросхема DM8136 фирмы National Semiconductors (отечественный аналог — КР559СК2).

На рис. 5.18 показано применение компараторов SN74ALS521 для селектирования 16-разрядных кодов. Инверсный сигнал с выхода первой микросхемы подается на инверсный вход разрешения второй микросхемы, выходной сигнал которой (отрицательный) говорит о совпадении входного и эталонного 16-разрядных кодов.

Неопределенные состояния на выходах компараторов кодов могут возникать при любом изменении любого из двух входных кодов. Это связано с неодновременным изменением разрядов кодов (рис. 5.19). На всех выходах компаратора СП1 могут появляться короткие паразитные импульсы. Чтобы устранить их влияние на дальнейшую часть схемы, применяется синхронизация и стробирование. Но для этого надо точно знать момент изменения входных кодов, что далеко не всегда возможно.

При применении компараторов надо учитывать также, что при каскадировании задержки микросхем суммируются и объединенный компаратор будет во столько раз медленнее одиночного, сколько микросхем в нем используется. Задержки компараторов кодов по входам разрядов кодов примерно вчетверо больше задержек логических элементов, а по входам расширения — примерно втрое. Так что эти микросхемы довольно медленные по сравнению с другими комбинационными микросхемами. Точные значения задержек надо смотреть в справочниках.

Если нам важен только факт равенства или неравенства входных кодов, то увеличить быстродействие при объединении компараторов можно, если подавать их выходные сигналы на элемент И (рис. 5.20). В этом случае суммарная задержка схемы превысит задержку одного компаратора всего лишь на задержку элемента И. При применении компараторов с инверсным выходом (например, SN74ALS521) надо брать элемент ИЛИ с нужным числом входов.

При необходимости сравнения кодов не только на совпадение, но еще и по величине, такого простого решения не существует. Однако эта задача встречается гораздо реже.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector