Site Loader

Содержание

Как сделать схему компаратора с операционным усилителем своими руками

Схема подключения компаратораЧтобы управлять компонентами электронных схем, используют разные приспособления, которые могут осуществлять настройку и разделять сигналы. Для быстрого сравнения нескольких различных импульсов принято использовать специальный компаратор с однополярным питанием.

Основные технические характеристики

Компаратором называется устройство, сравнивающее несколько напряжений и силу электрического тока, выдающее окончательный силовой сигнал, указывающее на наибольшее значение параметров и одновременно делающее точный расчет их соотношения. У изделия существует несколько аналоговых входов и один цифровой выход. Чтобы визуально отобразить сигнал, в устройстве применяется световой индикатор.

Несколько десятилетий назад применялся лишь интегрированный компаратор электрического напряжения, который принято называть высокоскоростным. Ему необходимо некоторое дифференциальное напряжение в обозначенном диапазоне, которое намного меньше, чем напряжение питающей сети. Подобные устройства не пропускают остальные внешние сигналы, находящиеся за диапазоном питающей сети.

Типы компараторов

Специалисты разделяют компараторы на такие типы:

  • аналоговые изделия;
  • компараторы на операционном усилителе.

Аналоговый компаратор

Подключение корпаратораВ данное время довольно часто применяется аналоговый компаратор, который оснащен специальным транзисторным входом. Входящий потенциал сигнала в устройстве имеет значение не меньше 0,4 вольта и никогда не увеличивается. Изделие часто делают очень быстрого реагирования, из-за чего входящий сигнал будет меньше указанного диапазона, например, 0,3 вольта. Зачастую подобный диапазон может ограничиваться лишь определенным входным напряжением на транзисторе.

Компаратор на операционном усилителе

Кроме простого устройства, еще изготавливают видеоспектральный компаратор на операционном усилителе. Такое изделие обладает довольно точной балансировкой разницы входного напряжения и большим сопротивлением сигнала на выходе. Из-за такого свойства, компаратор на операционном усилителе можно применять в низко проводимых электрических цепях с маленьким напряжением.

Другими словами, операционный усилитель частоты способен работать совместно с открытым контуром и используется как изделие небольшой производительности. В процессе работы, не инвертирующий вход имеет более высокое значение напряжения, нежели инвертирующий вход. Большое усиление сигнала, который выходит из усилителя, провоцирует выход маленького напряжения на входе устройства.

Если не инвертирующий вход спадает меньше инвертирующего, то сигнал на выходе способен насытиться при отрицательном уровне напряжения, но он будет проводить электрические импульсы. Значение напряжения на выходе операционного усилителя может ограничиваться лишь напряжением питающей сети. Вся электрическая цепь усилителя работает только в линейном режиме при отрицательном значении обратной связи. Этому способствует специальный хорошо сбалансированный источник питания. Практически вся аппаратура, которая работает вместе с компаратором, оборудована функцией фиксации полученной информации. Подобные электронные принципы не способны работать в схемах, в которых применяются плохо проводящие радиоэлементы и разомкнутые контуры.

Недостатки устройства на операционном усилителе

У компаратора с операционным усилителем

есть такие недостатки:

  1. Что такое корпараторПодобные усилители способны работать только в линейном режиме с отрицательным значением обратной связи. Однако операционные усилители довольно долго восстанавливаются.
  2. Практически все усилители оборудованы специальным конденсатором для внутренней компенсации, который способен ограничить скорость увеличения напряжения на выходе для сигналов с большой частотой. Другими словами, подобная схема может задержать электрический импульс.
  3. Устройство не обладает внутренним гистерезисом.

Обладая такими недостатками, компаратор для управления разными цепями применяется без операционного усилителя. Единственным исключением можно считать только генератор. Это устройство необходимо для различных процессов с ограничительным значением напряжения на выходе, которое способно осуществлять взаимодействие с цифровой логикой. Именно поэтому они применяются в разной термической аппаратуре. А также его используют, чтобы сравнивать электрические сигналы и сопротивления таких приборов, как стабилизатор или таймер.

Как работает компаратор

Чтобы наглядно показать принцип работы быстрого компаратора с гистерезисом, необходимо рассмотреть устройство с несколькими выходами.

Применяя аналоговый сигнал в первом входе, который принято называть не инвертируемым, и выходе, считающимся инвертируемым, изделие использует пару одинаковых сигналов разной полярности. Когда значение аналогового входа больше, чем у его выхода, то такой выход будет положительной полярности. Это должно включить подготовленный коллектор транзистора в его цепи, который и необходимо было запустить. Однако когда вход имеет отрицательную полярность, то электрический сигнал будет очень маленького значения, поэтому коллектор транзистора будет оставаться закрытым.

Почти всегда фазовый компаратор способен воздействовать на входы в схемах логических элементов, и поэтому работает по уровню напряжения питающей сети. Другими словами, это устройство способно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой формат. Подобный принцип работы помогает не уточнять значение нужного выходного сигнала, потому что устройство постоянно обладает захватом петли гистерезиса и конечным коэффициентом усиления.

Назначение и применение компаратора

Компаратор на транзисторахПодобное изделие нашло применение в простых схемах персональных компьютеров, в которых необходимо

быстро сравнивать сигналы напряжения входа. А также это может быть устройство для зарядки телефона или другого гаджета, электронные весы, датчик напряжения, микроконтроллер, таймер и подобные изделия. Иногда его используют в разных интегральных микросхемах, которые обязаны контролировать импульсы на входе, обеспечивать связь от источника импульса до места его назначения.

Наилучшим примером можно считать регулятор Шиммера, который способен работать в многоканальном режиме. Таким образом, он может сравнить большое количество электрических сигналов. А также этот компаратор используется для восстановления цифрового сигнала, который может искажать связь в зависимости от значения напряжения и расстояния до источника сигналов. Это устройство принято считать аналогом обычного компаратора, который обладает широкими функциональными возможностями и способен обеспечить измерение большого количества входящих электрических сигналов.

Сейчас выпускается специальный компаратор шероховатости. Подобное изделие может быстро определить качество поверхности, которая до этого момента была механически обработана. Использование такого устройства обосновано необходимостью определения допусков поверхности, которая подверглась обработке.

Компаратор — это… Что такое Компаратор?

Проходная характеристика неинвертирующего компаратора

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

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

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

  • Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения.
  • Выходной каскад компаратора выполняется совместимым по логическим уровням и токам с конкретным типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).
  • Для формирования гистерезисной передаточной характеристики, компараторы часто охватывают положительной обратной связью. Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.

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

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

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

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

Реализации

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

Компараторы с двумя и более напряжениями сравнения

Строятся на двух и более дифференциальных усилителях.

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

Троичный компаратор

Трёхвходовой (троичный) компаратор имеет два напряжения сравнения. Два напряжения сравнения делят весь диапазон входных напряжений на три нечётких поддиапазона в нечёткой (fuzzy) троичной логике, которым присваиваются три чётких значения в чёткой троичной логике. Двухбитный троичный (2B BCT) логический сигнал (трит) на выходе троичного компаратора указывает в каком из трёх поддиапазонов находится входное напряжение. Логическая часть троичного компаратора выполняет унарную троичную логическую функцию — «повторитель» (F1073 = F810). Двухбитный троичный трит (2B BCT) может быть преобразован в трёхбитный трит (3B BCT) или в трёхуровневый трит (3LCT).

Троичный компаратор является простейшим одноразрядным троичным АЦП.
Троичный компаратор является переходником из нечёткой (fuzzy) троичной логики в чёткую троичную логику для решения задач нечёткой троичной логики средствами чёткой троичной логики.
Применяется в прецизионном триггере Шмитта с RS-триггером.
Троичный компаратор низкого качества с двоичными компараторами на цифровых логических элементах применён в троичном индикаторе напряжения источника питания с преобразованием двухбитного трита (2B BCT) в трёхбитный одноединичный трит (3B BCT)[2].

Многовходовые компараторы

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

Промышленные компараторы

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

Примечания

Ссылки

 Просмотр этого шаблона Микросхемы, производившиеся в СССР
Технологии РТЛ • ДТЛ • ТТЛ • ЭСЛ • N-МОП • КМОП • И3Л
Система
обозначения по
ГОСТ 18682-73
Конструктивно-
технологическое
исполнение
1; 5; 7 — полупроводниковая • 2; 4; 6; 8 — гибридная • 3 — прочие
Серия 100 • 101 • 104 • 106 • 108 • 109 • 110 • 113 • 114 • 115 • 118 • 119 • 120 • 121 • 122 • 123 • 124 • 128 • 129 • 130 • 131 • 133 • 134 • 136 • 137 • 138 • 140 • 141 • 142 • 144 • 146 • 149 • 153 • 155 • 157 • 158 • 159 • 162 • 166 • 167 • 172 • 173 • 174 • 176 • 177 • 178 • 187 • 190 • 198 • 201 • 204 • 210 • 217 • 218 • 223 • 224 • 226 • 228 • 229 • 230 • 237 • 243 • 264 • 265 • 284 • 504 • 511 • 580 • 1801 • 1810 • 1839
Выполняемая
функция
Вторичные источники питания — Е Выпрямители ЕВ • Преобразователи ЕМ • Стабилизаторы: напряжения ЕН • тока ЕТ • Прочие ЕП
Генераторы сигналов — Г Гармонических ГС • Прямоугольных (мультивибраторы) ГГ • Линейно-изменяющихся ГЛ • Специальной формы ГФ • Шума ГМ • Прочие ГП
Детекторы — Д Амплитудные ДА • Импульсные ДИ • Частотные ДС • Фазовые ДФ • Прочие ДП
Коммутаторы и ключи — К Тока КТ • Напряжения КН • Прочие КП
Логические элементы — Л И ЛИ • ИЛИ ЛЛ • НЕ ЛН • И-ИЛИ ЛС • И-НЕ/ИЛИ-НЕ ЛБ • И-ИЛИ-НЕ ЛР • И-ИЛИ-НЕ/И-НЕ ЛК • ИЛИ-НЕ/ИЛИ ЛМ • Расширители ЛД • Прочие ЛП
Микросборки,
наборы элементов — Н
Диодов НД • Транзисторов НТ • Резисторов НР • Конденсаторов НЕ • Комбинированные НК • Прочие НП
Многофункциональные
микросхемы — Х
Аналоговые ХА • Цифровые ХЛ • Комбинированные ХК • Прочие ХП
Модуляторы — М Амплитудные МА • Частотные МС • Фазовые МФ • Импульсные МИ • Прочие МП
Преобразователи — П Частоты ПС • Фазы ПФ • Длительности ПД • Напряжения ПН • Мощности ПМ • Уровня (согласователи) ПУ • Код-аналог ПА • Аналог-код ПВ • Код-код ПР • Прочие ПП
Схемы задержки — Б Пассивные БМ • Активные БР • Прочие БП
Схемы селекции
и сравнения — С
Амплитудные (уровня сигнала) СА • Временные СВ • Частотные СС • Фазовые СВ • Прочие СП
Триггеры — Т JK-типа ТВ • RS-типа (с раздельным запуском) ТР • D-типа ТМ • T-типа ТТ • Динамические ТД • Шмитта ТЛ • Комбинированные ТК • Прочие ТП
Усилители — У Высокой частоты УВ • Промежуточной частоты УР • Низкой частоты УН • Импульсных сигналов УИ • Повторители УЕ • Считывания и воспроизведения УЛ • Индикации УМ • Постоянного тока УТ • Операционные и дифференциальные УД • Прочие УП
Фильтры — Ф Верхних частот ФВ • Нижних частот ФН • Полосовые ФЕ • Режекторные ФР • Прочие ФП
Формирователи — А Импульсов прямоугольной формы АГ • Адресных токов (формирователи напряжений и токов) АА • Импульсов специальной формы АФ • Разрядных токов (формирователи напряжений и токов) АР • Прочие АП
Элементы
арифметических
устройств — И
Регистры ИР • Сумматоры ИМ • Полусумматоры ИЛ • Счётчики ИЕ • Шифраторы ИВ • Дешифраторы ИД • Комбинированные ИК  • Прочие ИП
Элементы запоминающих устройств — Р Матрицы-накопители ОЗУ РМ • Матрицы-накопители ПЗУ РВ • Матрицы-накопители ОЗУ со схемами управления РУ • Матрицы-накопители ПЗУ со схемами управления РЕ • ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием РФ  • Матрицы различного назначения РП
Тип корпуса
(ГОСТ 17467-72)
Тип 1  • Тип 2 • Тип 3 • Тип 4 •
Производители Ангстрем • Алмаз • ВНИИС • ЕРЗ • ИРЗ • Интеграл • Полёт • МНИИПА • НИИЭТ • МЦСТ

Как работает компаратор напряжения

Компаратор напряжения является довольно интересным устройством. Как он работает? Благодаря чему он может выполнять свои функции? Нельзя не отметить их значительную важность в многочисленных бытовых приборах, которые есть в большом количестве в каждом доме.

Общая информация

компаратор напряженияЧтобы управлять электронными схемами, используют большое количество различных устройств. Они позволяют разветвлять и настраивать сигналы. Чтобы сравнивать два различных импульса, используют компаратор. Что же он собой представляет? Компаратор напряжения – это устройство, которое занимается сравнением двух различных напряжений и силы тока, и на основании полученных данных он выдаёт конечный силовой сигнал. С его помощью указывается на большее полученное значение и указывается на соотношение полученных параметров. Устройство имеет две аналоговые вводные клеммы, что могут обрабатывать отрицательный и положительный сигнал. Также у них есть, подобно АЦП, один двоичный цифровой выход. На чем базируется его функционирование? Для обеспечения работы всегда создаётся компаратор напряжения на транзисторах.

Что применяется в современности

компаратор напряжения на микроконтроллере

Первоначально широко использовались интегрированные компараторы напряжения. За характерные особенности их работы они назывались высокоскоростными. Для них требуется наличие дифференциального напряжения в рамках определённого диапазона, который значительно ниже, нежели напряжение в сети питания. Подобные приборы не допускали наличия внешних сигналов, которые выходили бы за установленные рамки. Современный аналогово-цифровой компаратор напряжения имеет транзисторный ввод. Как правило, потенциальный сигнал для него не должен превышать значение в 0,3 В. Часто можно встретить компаратор напряжения на микроконтроллере. Для таких случаев используется продукция компаний «Микрочип» и «Атмел». В случае если приходится иметь дело со стереокомпаратором (их ещё называют компараторами ультрабыстрого типа), то требуемый порог не превышает значения 0,2 В. Следует отметить, что величина используемого диапазона ограничена конкретным входным напряжением.

И это всё?

Конечно же, нет! Существует ещё компаратор напряжения на операционном усилителе. Он представляет собой прибор, у которого разница между входом и высоким сопротивлением сигнала чрезвычайно тонко сбалансирована. Благодаря этому они используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить работу схем с небольшим напряжением. Также устройства, где используются операционные усилители, часто ещё называются видеоспектральным компаратором. Теоретически, оно может работать в конфигурации, где предусмотрено наличие открытого контура (то есть нет отрицательной обратной связи). Устройство в таких случаях используется как компаратор низкой производительности.

Какие недостатки есть у компараторов с операционными усилителями

опорное напряжение компаратора

Они имеют такие негативные моменты:

  1. Так, основное их предназначение – это работа в линейном режиме, когда отсутствует отрицательная обратная связь. Также их особенностью является довольно значительный режим восстановления.
  2. Практически у всех операционных усилителей есть конденсаторы внутренней компенсации, что ограничивают скорость нарастания значения выходного напряжения при генерации высокочастотных сигналов. Поэтому использование подобных схем приводит к незначительной задержке импульсов.
  3. И напоследок – компаратор не обладает внутренним гистерезисом.

Из-за перечисленных недостатков использование устройства для управления разными схемами обходится зачастую без различных усилителей. Единственным исключением является использование генератора.

Использование

микросхема компаратор напряженияРабота компаратора напряжения часто применяется во время производственных процессов, где существует ограниченное выходное напряжение. Но при этом необходимо, чтобы оно хорошо взаимодействовало с цифровой логикой. Поэтому их часто можно встретить в разнообразных термических приборах. В качестве примера можно привести реле температуры, терморегулятор и прочее. Могут они использоваться и с целью сравнения сигналов и сопротивления для таких устройств, как стабилизатор, таймер и прочее. В бытовых устройствах их содержит едва ли не любая микросхема. Компаратор напряжения можно найти в микроволновой печи, духовке и многих иных современных образцах техники.

Принцип работы

Давайте пройдём весь путь логических «измышлений» данного устройства. Итак, первоначально на плюс-вход поступает аналоговый сигнал. Он называется неинвертируемым. Затем переносимся к выходу. Он называется инвертируемым и может высылать два разнополярных аналогичных сигнала. От чего зависит «принятое» устройством решение? Допустим, что аналоговый вход больше выхода. В таком случае нами будет получена логическая единица. Благодаря этому, допустим, будет включен открытый коллектор транзистора или же произведено иное действие с другим элементом схемы. И она начнёт выполнять возложенные на неё функции. В случае если аналоговый выход больше, нежели вход, устройство работает в режиме логического нуля и ничего не происходит. В таких ситуациях большую роль играет опорное напряжение компаратора.

И ещё немного об устройстве

компаратор напряжения на операционном усилителеДавайте уделим внимание двухпороговым и фазовым компараторам. В случае их применения практически всегда работа строится на воздействии на входы в рамках логических цепей. И их функционирование зависит от уровня сети питания. Можно сказать, что это довольно своеобразные элементы перехода сигнала от аналоговой к цифровой форме. Благодаря этому можно не уточнять неопределённость выходов сигнала. Почему? Дело в том, что компаратор всегда может обеспечить определённый захват петли гистерезиса.

Применение

Давайте же рассмотрим более детально, где и как они используются. Так, во многих домах есть компаратор напряжения для разряда аккумулятора на ноутбуке или телефоне, весы, датчики сетевого напряжения. Встретить их можно во множестве различных интегральных микросхем, где они используются с целью обеспечения контроля над входными импульсами. Благодаря этому поддерживается связь между источником сигнала и пунктом назначения. Часто применяется компаратор-регулятор (триггер) Шиммера. Этим существенным преимуществом является возможность работы в режиме многоканальности, когда можно сравнивать значительное количество сигналов. Он обеспечивает весьма широкий функционал (по сравнению со стандартными компараторами). Также эти устройства используются для визуального определения состояния поверхности, что обрабатывается. Для этих целей используется компаратор шероховатости.

Программирование

работа компаратора напряжения

Компараторы используются в качестве составной части электрической схемы ШИМ. Но не только. Они могут быть применены и для написания отдельных программ или же их компонентов. Так, их часто используют, чтобы создавать java-коллекции. Что необходимо для этого? Вот небольшой список с ответами:

  1. Первоначально следует позаботиться о среде разработки. Можно порекомендовать обратить внимание на Maven. В ней создаётся проект, и для него выбираются нужные компоненты.
  2. Затем устанавливаются дополнительные утилиты, и следует начинать создавать новый файл. Имейте в виду, что прерывать процесс недопустимо. Также во время работы рекомендуется сохраняться на всех этапах работы.
  3. Когда всё готово, нужно выставить требуемые настройки.
  4. Затем нужно создать класс, что будет использоваться для проверки данных, а также их распределения по нужным ячейкам памяти. Класс используется также для сортировки определённой информации по конкретным параметрам и при надобности обеспечения их защиты.

Как выбрать устройство при покупке

Приобрести готовый компаратор представляется возможным в любом радиотехническом магазине. Цена же на него будет зависеть от выдвигаемых требований. В первую очередь необходимо определиться с назначением устройства. Затем внимание должен получить такой момент, как количество каналов. Также следует внимательно осмотреть устройство на предмет наличия внешних повреждений. Так, оно может пострадать во время транспортировки или же просто было выполнено некачественно.

Как проверить работоспособность компаратора напряжения

компаратор напряжения на транзисторах

У многих начинающих радиолюбителей часто возникает вопрос, как узнать, можно ли использовать устройство. Для этого не нужно иметь какую-то сложную схему или устройство. Для этого достаточно использовать вольтметр. При этом на входы подаётся регулируемое напряжение и определяется, работает оно или нет. Не следует забывать и о том, что устройства часто содержат выходной транзистор. У них коллектор и эмиттер вроде «висят в воздухе». Поэтому необходимо обеспечить соответствующее подключение. В таком случае на инверсный вход подаётся опорное напряжение.

Заключение

Вот и был рассмотрен компаратор напряжения. Это полезное устройство позволит обеспечить работу для большого количества различных устройств. Компаратор позволит создать множество разных схем и значительно расширит поле деятельности радиолюбителя. Не следует ограничиваться уже существующими разработками. При этом необходимо научиться обеспечить работу компаратора с другими элементами.

Рассчитываем свою первую схему, или Торжество закона Ома.

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Рассчитываем свою схему >

Рассчитываем свою первую схему, или Торжество закона Ома.

Расчет абсолютно бесполезного в большинстве случаев устройства рассмотрим ниже. Это индикатор напряжения на 12В аккумуляторе типа «Светодиодная линейка». Должен сказать, что мне для конкретного применения потребовался индикатор напряжения на аккумуляторе на 4 уровня — 10, 11, 12 и 13вольт. Имеется ввиду, что аккумулятор с напряжением 10вольт считается разряженным, а с 13вольт — заряженным. Да, измерения проводить этим устройством смысла нет, а вывести его на переднюю панель устройства — пусть глаз радует.

С чего начнем расчеты? Прежде всего, с выбора элементной базы. Очевидно, что в схеме должно быть некое устройство, чувствительное к изменению какого-то параметра и выдающее ответ типа «больше-меньше» — это компаратор. Как работает компаратор, мы уже рассматривали в Обучалке, я просто напомню:

Общее правило компаратора: «если напряжение на неинвертирующем (+) входе больше, чем на инвертирующем (-), то выдать ответ ДА». Ответ ДА — это не что иное, как плюс питания компаратора. Ответ НЕТ — это минус питания, логично. Запомнить, нам пригодится.
Повесим компаратору на входы по батарейке, смотрим:
Напряжение на входе «+» равно 6 вольт
Напряжение на входе «-» равно 5 вольт
Значит, компаратор выдаст на своем выходе напряжение, равное своему питанию (12вольт) и у нас загорится светодиод VD2. VD1 будет погашен. Если нам обе батарейки поменять местами, то будет гореть светодиод VD1, а VD2 будет погашен.
Размышляем, приходим к выводу, что для индикации четырех уровней напряжения нам потребуются четыре компаратора.
Пошукав в загашниках, порывшись в коробочках, нахожу удивительно простой счетверенный компаратор LM339. Почитав даташит, рисую цоколевку:

С левой стороны — входы компараторов. Инвертирующие входы обозначены кружочками, неинвертирующие — простые. С правой стороны — выходы (напротив инвертирующих входов) и лапки питания (лапка 3 — плюс питания, лапка 12 — минус питания).
У этой микры есть одна особенность — она не выдает ответ «ДА». То есть НЕТ она выдать может, а ДА — увы. Или НЕТ, или ничего. Почему? Смотрим структурную схему:

Это один (любой) компаратор из LM339. Смотрите на транзистор Q8 — выходной транзистор. Если на входе «+» напряжение меньше, чем на «-«, Q8 открывается и на выходе «Output» формируется минус питания — ответ НЕТ. А такого же транзистора, только с плюса, у нее нет: значит, ДА она нам не выдаст. Видимо, не хватило места в микросхеме. Шутка. Такой выход называется «Выход с открытым коллектором» и довольно часто попадаются микросхемы, построенные именно так — это и логические схемы, и компараторы и дешифраторы и пр.
Но открытый коллектор не помешает нам пользовать микросхему так, как нам хочется. Давайте повесим на нее светодиоды.
Как мы уже поняли, у компараторов из LM339 только один транзистор может зажечь светодиод, и зажечь может, только подав на него минус. Значит, вторые лапки светодиодов должны идти на плюс. Иначе не загорятся.

Поскольку схема будет питаться тем же напряжением, которое измеряет, а светодиоды таких напряжений не любят, включим их через токоограничивающие резисторы R1…R4.
Рассчитаем резисторы. Причем, используя один-единственный закон Ома. И не забывая о том, что ток измеряется в Амперах, напряжение в Вольтах, сопротивление — в Омах.

Светодиод D1 — зеленый, АЛ307Н — с этой буквой он самый яркий (6мкд). По справочнику максимальный ток 22мА при напряжении на диоде 2В. Гонять на максимальном токе мы его не будем, выберем поменьше, к примеру, 17мА. Загораться он будет при напряжении питания 13вольт. Резистор R1 должен погасить на себе лишнее напряжение (напряжение падения), равное
Uпад=13-2=11В
при токе через диод (впрочем, такой же, что и через резистор), равном
Iд=17мА,
значит его сопротивление будет равно
R=Uпад/Iд=11/0,017=647Ом.
Выберем резистор из ряда стандартных сопротивлений — 680Ом. Это, правда, уменьшит ток через диод, ну и ладно — дольше жить будет.

Со светодиодом D2 посложнее — он должен загораться при напряжении 12вольт, но должен гореть и при 13вольтах.
Выбираем желтый светодиод АЛ307Ж — те же 22мА при падении 2В. При напряжении питания 13В и токе 17мА, резистор, очевидно, будет таким же. А какой ток будет через диод на 12вольтах?
I=(12-2)/680=14,7мА
Что, впрочем, не уменьшает его яркость. Или уменьшает, но не намного.
Так же рассчитываем резисторы R3 и R4 для светодиодов D3 (АЛ307Ж) и D4 (АЛ307К):
R3=R2, так как светодиоды D3 и D2 одинаковые — желтые.
А у D4 ток уже не 22мА, а 20, поэтому выберем рабочий ток до 15мА и посчитаем резистор:
Uпад=13-2=11В
Iд=15мА
R=Uпад/Iд=11/0,015=733Ом.
Выберем штатный резистор 750Ом и посчитаем ток через диод при десяти вольтах питания (D4 должен зажечься при питании 10В):
Uпад=10-2=8В
R=750Ом
I=8/750=10,6мА
Здесь нам нужно поставить следственный эксперимент и проверить, как ярко горит красный светодиод на токе 10мА. Берем блок питания, выставляем у него напряжение 10вольт и подключаем к нему светодиод АЛ307К, включенный последовательно с резистором 750Ом.
Нормально?
А теперь увеличим напряжение до 13вольт и снова проверим.
Годится?
Замечательно. Эту часть схемы мы рассчитали, уфф! Она приобрела такой вид:

Следующая часть расчетов — тепловая. Нам нужно проверить, как будут греться резисторы и выбрать их мощность. Формула для расчета мощности так же проста, как сам закон Ома:
P=UI
В нашем случае U это напряжение падения на резисторе, I — ток через него. Вообще просто. Итак, считаем мощность, выделяемую резистором R1 при зажигании светодиода.
Ток берем штатный, напряжение — самое тяжелое для резистора — при питании схемы максимальным напряжением:
P=Uпад*Iд=11*0,017=0,187Вт.
Это больше, чем допустимая мощность для самого мелкого резистора (0,125Вт), поэтому выберем резистор R1 чуток помощнее, типа МЛТ-0,25. Резисторы R2 и R3 будут такими же, ведь токи через них те же и максимальные напряжения такие же.
Резистор R4 посчитаем, давайте уж:
P=Uпад*Iд=11*0,015=0,165Вт.
Ну и его туда же. Все резисторы МЛТ-0,25.

Сделаем паузу, мы устали.

Снова ффперед!
Как компаратор определит, что измеряемое напряжение повысилось до какого-то уровня? Ему же надо его с чем-то сравнить, так ведь? То есть нам требуется какой-то источник напряжения, неизменного в пространстве и времени: Напряжения, которое не менялось бы при изменении питания устройства во всем диапазоне +9:+13В. Напряжение это должно быть стабилизировано: что же это? Правильно, стабилитрон! Про него опять же написано много слов, песен спето различных, блоков питания напаяно: но всё же напомню, что сие есть такое. Стабилитрон — это диод с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Проще говоря, это такой диод, который держит постоянным напряжение на себе при изменении тока через него.
Поставим лабораторный опыт. Приобретем (или спаяем откуда-нибудь, роли не играет абсолютно никакой) стабилитрон КС147Г. Его параметры такие:
Напряжение стабилизации 4,2…5,2В (номинальное 4,7В)
Ток стабилизации 1…26мА
Всё это значит, что при изменении тока через него от 1 до 26мА напряжение на стабилитроне будет меняться от 4,2 до 5,2вольт. Как это понять и применить на практике?
Смотрим схему:

Резистор R1 задает стабилитрону необходимый ток. Параллельно стабилитрону подключим вольтметр — он будет измерять напряжение стабилизации Uст. Регулируя напряжение на блоке питания 0…12В, наблюдаем показания вольтметра:
0…5В — вольтметр показывает нарастание напряжения до 4В
5…12В — вольтметр показывает увеличение напряжения 4…5В
Видали? Мы изменили напряжение на 7вольт, а получилось — всего на 1вольт! Давайте подумаем, в чем он нам может пригодиться и как из него вытащить пользу.
Корыстные мы, да. Напряжение, которое выдает нам стабилитрон, назовем опорным напряжением. Это для него оно — напряжение стабилизации, а для нас — опорное. Вот с этим самым опорным напряжением наши компараторы будут сравнивать измеряемое напряжение и выдавать диагноз — изменилось ли оно или нет, зажигать нам светодиоды или пущай тухнут.
Рассуждаем логически: поскольку светодиоды зажигаются на ответе компаратора «НЕТ», это значит, что сравниваемое напряжение поднялось выше опорного. Следовательно, опорное напряжение нам нужно подать на неинвертирующие входы компараторов. Входы можно соединять меж собой без вреда озоновому слою Земли и численности населения китайцев. Последствий не будет никаких. Так и сделаем:

Неинвертирующие входы компараторов мы соединили и кинули стабилитрон на землю и резистор на плюс питания. Этот «плюс питания» у нас будет одновременно и питанием, и измеряемым напряжением, да и Бог с ним! Опорное напряжение будет стабилизировано.
Резистор R5 требует расчета, займемся им:
Максимальное напряжение схемы 13В
Напряжение стабилитрона 4,7В
Падение напряжения на резисторе R5 равно
Uпад=13-4,7=8,3В
Максимальный ток стабилизации стабилитрона Iд=26мА, но мы выберем поменьше, к примеру, 15мА. Тогда сопротивление резистора R5 посчитаем
R=Uпад/Iд=8,3/0,015=553Ом
Выберем резистор 560Ом из существующих в ряду стандартных сопротивлений.
Проверим, укладываемся ли мы в стабилизацию при минимальном питании:
Минимальное питание 10В
Сопротивление резистора R5 560Ом
Ток через стабилитрон посчитаем, предположив, что напряжение на стабилитроне не изменилось:
Iд=Uпад/R=(10-4,7)/560=9,4мА
Если бы напряжение стабилитрона упало ниже 4,7В (к примеру, до минимального 4,2В), ток стабилитрона все равно находился бы в диапазоне допустимых (выше 1мА), что нам и требуется. Принимаем R5 равным 560Ом.
Смотрим, что у нас получилось:

Светодиоды я подписал, чтобы было нагляднее.
На свободные лапки компараторов нужно завести измеряемое напряжение, но как-то так, чтобы оно соответствовало зажигаемому светодиоду. Ну не напрямую же их соединять, так ведь?
Смотрим на самый нижний компаратор:
На его неивертирующем входе напряжение 4,7В. Чтобы зажечь светодиод D4 (то есть выдать ответ НЕТ), на инвертирующем входе должно быть напряжение больше 4,7В — это порог срабатывания при повышении входного напряжения до 10В. Нам нужно эти самые 10В завести на инвертирующий вход, но чтобы они выглядели на нем как 4,7В. Как-то надо поделить эти 10вольт до 4,7. Как? Очень просто — делителем напряжения.
Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов.

Входное напряжение может быть любым, а выходное напряжение будет ровно в 2 раза меньше входного. Надо сказать, что делитель напряжения не выдает какой-либо мощности, то есть использовать его в блоках питания нельзя. Можно только получать маломощные, слаботочные напряжения в качестве сигналов управления, ослабить звук перед усилителем: много применений у делителя, но все они — ну никак не про мощность.
Значит, нам надо 10вольт поделить до 4.7. Будем думать.
На вход делителя мы подаем 10В, снимаем 4.7В. На нижнем резисторе (он называется «нижнее плечо делителя») мы видим 4,7В, на верхнем резисторе (верхнее плечо делителя) упадет разница между напряжениями, то есть 5,3В. Отношение 5,3/4,7 будет разницей между резисторами. 5,3/4,7=1,13 раза. В эти 1,13 раза будут отличаться сопротивления резисторов. То есть, если нижний резистор будет 10кОм, то верхний надо искать на 11,3кОм — в таком случае мы получим ровно 4,7В на выходе при входном 10В. Номинал 11,3кОм найти сложно, но можно удвоить оба резистора — соотношение между ними останется таким же — 1,13раза, а номиналы 20кОм и 22,6кОм искать легче — 22,6кОм можно заменить на 22, будет небольшая погрешность, ну и ладно. Нам это не страшно.

Конечно, сам делитель будет потреблять какой-то ток от источника входного напряжения, и нужно, чтобы тот источник входного напряжения мог обеспечить такой ток. Мы не будем рассчитывать всё до мелочей, я скажу только, что делитель с килоомными резисторами меньше потребляет ток, чем с омными резисторами, и плясать мы будем именно от килоомных резисторов.
Итак, мы определили 2 резистора для первого компаратора. Верхний резистор мы подключаем к плюсу питания, ведь оно у нас и питание, и измеряемое напряжение одновременно. Выходное напряжение подаем прямо на компаратор, на лапку 10. Точно так же рассчитаем все остальные делители:
Для компаратора, индицирующего порог «+11В»:
Входное напряжение 11В
Опорное напряжение 4,7В
Падение напряжения на верхнем плече делителя Uпад=11-4,7=6,3В
Отношение резисторов равно 6,3/4,7=1,34 раза
Если нижний резистор 10кОм, то верхний будет R=10*1,34=13,4кОм
Резистора 13,4кОм у нас нет, зато удвоенный резистор 13,4*2=26,8кОм можно заменить на 27кОм. В таком случае удвоим и нижний резистор — он будет не 10кОм, а 20.

Для компаратора «+12В»:
Входное напряжение 12В
Опорное напряжение 4,7В
Падение напряжения на верхнем плече делителя Uпад=11-4,7=7,3В
Отношение резисторов равно 7,3/4,7=1,55 раза
Если нижний резистор 10кОм, то верхний будет R=10*1,55=15,5кОм
Резистор 15,5кОм можно заменить на 15кОм. Это некритично. Нижний резистор остается прежним — 10кОм.

Для компаратора «+13В»:
Входное напряжение 13В
Опорное напряжение 4,7В
Падение напряжения на верхнем плече делителя Uпад=13-4,7=8,3В
Отношение резисторов равно 8,3/4,7=1,77 раза
Если нижний резистор 10кОм, то верхний будет R=10*1,77=17,7кОм
Существует номинал 18кОм, нам подойдет. Нижний резистор — 10кОм.
Наша схема снова немного преображается:

Можно считать эту схему законченной — она будет работать, причем вполне сносно. Свои функции выполнять будет. Ее преимущество в том, что можно легко изменить пороги срабатывания каждого компаратора в отдельности, не мешая другим. Дальше мы рассмотрим, как можно немного упростить эту схему, и чуток ее доработаем.

Вопросы, как обычно, складываем тут.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Компаратор напряжения: характеристики и разновидности

Компаратор напряжения – это устройство, выполняющее сравнение имеющегося уровня напряжения с опорным сигналом. Ответом, как правило, становится двоичная величина – да либо нет, нуль или единица.

Благодарности

Без братьев Кузнецовых не представилось бы читателям столь замечательного обзора. Нельзя оставить без внимания труд научного коллектива Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского, его участников, меж которыми:

  • Сдобняков В.В.
  • Карзанов В.В.
  • Шабанов В.Н.
  • Рецензенты: Дорохин М.В. И Здоровейщев А.В.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

  1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
  2. Импульс с заданными характеристиками.
  3. Сменой полярности выходного напряжения.
  4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

  • Чувствительность.
  • Быстродействие.
  • Стоимость.
  • Долговечность.
  • Стабильность.
  • Нагрузочная способность.
  • Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Характеристики компараторов

Под чувствительностью компаратора понимается минимальное напряжение, годное к восприятию. Дифференциальные пары транзисторов, применяемые в операционных усилителях, повышают температурную стабильность, потому служат для создания компараторов. Параметр тесно связан с разрешающей способностью или точностью. Чувствительность сильно зависит от схемного решения, это очевидный факт.

Помимо температурной стабильности и архитектуры на параметр влияют помехоустойчивость и надёжность. На практике оптимальной считают чувствительность, равную половине разряда аналого-цифрового преобразователя. Это значит, что из-за компаратора не снижается точность замера. На современном этапе развития технологии это порой сильно отличающиеся значения.

Быстродействие цифровой технике велико, но учитывая факт, что преобразователю нужно успеть сделать выборку, тактовая частота процессора должна быть в сотни, если не тысячи раз выше, нежели дискретность отсчётов. И главным ограничивающим фактором становятся скоростные характеристики компаратора. На его втором входе в момент измерения опорное напряжение постепенно растёт до достижения совпадения. И вырабатывается цифровой код результата.

Частота дискретизации определяется скоростными качествами исследуемого процесса. Если это звуковой диапазон, значения начинаются от 45 кГц и способны составлять вчетверо больше для студийной записи. На каждом интервале времени компаратор должен успеть сравнить напряжение, минимальная частота процессора для получения точности в 0,5% лежит уже в области 10 МГц. На практике наблюдаются намного большие величины, но помните, главная шина материнской платы становится самым быстродействующим участком системного блока (персонального компьютера).

Быстродействие компаратора выражается временем между соседними измерениями. Оно складывается из интервала повышения сравниваемого напряжения до нужного уровня и скорости работы электронных компонентов. К последним цифрам относят период от принятия решения компаратором на выдачу сигнального импульса до его реального появления на выводах. Вторым параметром считают крутизну фронта импульса, поскольку логика микросхем настроена на пороги срабатывания. Важным считается время восстановления, за которое компаратор возвращается в первоначальное состояние.

Указанные параметры в сумме определяют тактовую частоту самого компаратора. Под нагрузочной способностью понимается способность выдать сигнал, достаточно мощный для срабатывания зависимых схем. Различают так называемую перегрузочную способность, показывающую, как велика иногда разница в напряжении на соседних отсчётах. Для сокращения интервалов измерения, начиная со второго, компаратор может вести два параллельных процесса измерения:

  1. Увеличение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.
  2. Уменьшение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.

Так удастся быстрее найти результат, не перебирая весь диапазон с начала. Хотя потребуется целых два параллельно включённых компаратора. Но экономия времени стоит указанной борьбы. На успех подобного мероприятия напрямую влияет перегрузочная способность.

Входное сопротивление образует с источником сигнала резистивный делитель, и чем оно меньше, тем выше точность, большая часть напряжения падает именно здесь. С повышением параметра снижается и потребляемый ток. У большинства компараторов входное сопротивление подстраивается под конкретно взятые нужды, для отдельных схем.

Разновидности компараторов

Большинство компараторов строится на схемах операционных усилителей, охваченных цепью положительной обратной связи. За счёт большого коэффициента усиления удаётся добиться отвесной передаточной функции каскада.

Характеристика операционного усилителя на неком участке линейна. График симметричен относительно нуля. При некотором значении Uогр происходит насыщение и выходное напряжение дальше не растёт. Это наблюдается в положительной области входных значений и в отрицательной. Описанное свойство используется для построения компараторов.

Операционный усилитель охватывается положительной связью, при коэффициенте её передачи обратно пропорциональном коэффициенту передачи операционного усилителя, формула уходит в область бесконечности. От указанного параметра зависит крутизна графика, он становится вертикальным. Что требуется на практике для сравнения напряжений.

Эталоном допускается любое значение. К примеру, возможна реализация схемы перехода напряжения через нуль. Но в составе аналого-цифрового преобразователя измеряемая величина в рамках интервала считается постоянной, опорное напряжение растёт, пока не сравняется. И в этот момент вырабатывается импульс совпадения.

Пороговый компаратор

Пороговый компаратор напряжения – упоминается в литературе. Передаточная характеристика его однозначна – когда разница на входах операционного усилителя становится равной нулю, возникает отклик на выходе. Обратное движение вдоль передаточной характеристики идёт по прежней траектории.

Он организован, как рассказано выше: операционный усилитель охвачен петлёй обратной связи для получения крутой, отвесной передаточной характеристики. Но остаётся некая малая погрешность. Эталонное напряжение принято подавать на неинвертирующий вход.

Гистерезисный компаратор

Гистерезисный компаратор получил название за то, что коэффициент передачи цепи обратной связи меняется по абсолютному значению и по знаку. В результате получают семейство передаточных характеристик, позволяющее создать компаратор, включающийся по одному значению напряжения, а выключающийся по иному.

Устройство оказывается полезным в случае наличия на линии высокочастотной помехи. И когда на заданном интервале измерения величина многократно изменяется, обычному компаратору напряжения легко промахнуться. Одновременно гистерезисный верно оценит с точностью до помехи и продержит сигнал на выходе, пока исследуемый процесс близок к эталону.

 

Любой реальный компаратор считается гистерезисным из-за наличия ошибки, отдельные виды специально имеют расширенную петлю в связи с описанными нюансами. Ярко выраженной прямоугольной характеристикой характеризуется триггер Шмитта. Его гистерезисная передаточная функция может служить для построения компаратора. Из-за наличия положительной обратной связи характеристика триггера Шмитта обладает ощутимой крутизной.

 

Уже для аналоговых схем порог чувствительности достигал 5-10 мВ, чего хватает в большинстве случаев. Поскольку время срабатывания триггера Шмитта уменьшается до 0,1 мкс, становится возможным процесс оценки сигналов частотой в сотни кГц (гораздо выше ультразвука). Представленный на рисунке триггер характеризуется большим температурным дрейфом и малым диапазоном измерения.

Ввиду простоты популярны балансные регенеративные схемы с диодами. Обратная связь здесь выполнена через трансформатор. За счёт использования средней рабочей точки становится возможным одновременно произвести и положительную, и отрицательную обратную связь. Сравниваемые напряжения подаются на катоды диодов (n-область, в районе которой нарисована перпендикулярная черта). Рабочая точка транзистора выбрана в начале вольт-амперной характеристики, ток базы рассчитывается так, чтобы не произошло насыщения.

Конденсатор выполняет гальваническую развязку базы и входной цепи. Если диод Д1 заперт, а Д2 — открыт, работает отрицательная обратная связь. В результате генерации не происходит. В обратном случае блокинг-генератор производит первый импульс. Его положительный фронт свидетельствует, что эталон сравнялся с оцениваемой величиной. Чувствительность балансной регенеративной схемы может достигать 1 мВ.

Компараторы на туннельных диодах хороши малыми габаритами, отличным быстродействием, низким уровнем шумов, низкими переключающими порогами по мощности. Механическая прочность и стойкость полупроводников общеизвестны. Туннельные диоды считаются редкими приборами, не боящимися радиации, что делает их популярными в специальных применениях. Вдобавок сопротивление таких компараторов крайне мало, что снижает чувствительность.

Характеристика туннельного диода содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет реализовать нужную передаточную функцию. Очевидным недостатком схемы становится низкая точность. Вольт-амперная характеристика туннельного диода слишком пологая. Зато по простоте этот компаратор нельзя сравнить с любым другим типом устройств. Его пока нельзя назвать гистерезисным, для получения этого типа характеристики требуется, как минимум, два туннельных диода.

Самый простой компаратор

При помощи двух туннельных диодов нетрудно построить простейший компаратор, включая их по схеме твин. Предполагается, что элементы идентичны. Передаточная характеристика системы сильно зависит от напряжения питания схемы. Характеристики легко изменяются, что обусловливает большую гибкость применения. Чувствительность измеряются по току, и экспериментально полученные значения лежат в области 8 мкА при частоте тактирования 200 МГц, 3 мкА – при 50 МГц.

Деление по принципу действия

Помимо чисто функциональных особенностей, рассмотренных выше, компараторы делятся по принципу действия на:

  1. Регенеративные.
  2. Генераторные.
  3. Амплитудно-импульсные.
  4. Модуляторные.

Речь здесь идёт о формируемых устройствами выходных сигналах. В работе компаратора напряжения выделяют два процесса: сравнение величин и формирование выходного сигнала. Статическая ошибка обусловлена лишь двумя причинами:

  1. Шумами.
  2. Температурным дрейфом и старением.

AVR. Учебный курс. Использование аналогового компаратора

Есть почти в каждой AVRке, такая полезная приблуда как аналоговый компаратор. Это уже почти стандартное устройство и встречается очень часто во множестве разных контроллеров. Даже в древнем, как говно мамонта, АТ89С2051 он уже есть. Штучка прикольная, позволяет сравнивать два аналоговых сигнала и выносить свой вердикт 0 первый больше второго, 1 второй больше первого.

Применить его можно, например, чтобы отслеживать уровень заряда аккумулятора по просадке напряжения. Схема простейшая — стабилитрон создает опорное напряжение, которое всегда одиннаково, а напряжение с резистивного делителя зависит от входного напряжения.

Например, на входе у нас 8 вольт. Со стабилитрона, рассчитанного на 3.3 вольта, выходит всегда одно и то же напряжение — 3.3 вольта. А с симметричного резистивного делителя выходит половина напряжения то есть 4 вольта. 4 это больше чем 3.3, (3.3 — 4 = -0.7 результат меньше нуля) с компаратора выходит 0

Теперь если просядет батарейка и напряжение снизится до 6 вольт, то с делителя будет уже 3 вольта, а с опорного как было 3.3 так и осталось. Зато теперь на компараторе ситуация в корне поменялась — 3 меньше чем 3.3 (3.3 — 3 = 0.3 результат больше нуля) , а значит на выходе у него будет 1

Вот так, например, можно легко и просто следить за питающим напряжением и выдавать сигнал тревоги если батарейка сядет.

Настройка компаратора в контроллере AVR ATMega16
Для других моделей AVR все очень и очень похоже, просто мне так удобней. Если будет затруднение спросишь в комментах.
Мега16 имеет на борту компаратор, со входами AIN0(прямой вход) и AIN1(инверсный вход) Чтобы компаратор заработал его выводы нужно подключить на вход (DDR=0) и отключить подтяжку до единицы (PORT=0).

Регистр конфигураций компаратора ACSR
Биты:

  • ACD включение компаратора 0 включен, 1 выключен. По дефолту там ноль, а значит при старте компаратор включен.
  • ACBG — подключение к прямому входу компаратора внутреннего источника опорного напряжения (ИОН) на 1.22+(-)0.05V. Если 0 то ИОН не подключен.
  • ACO — бит результата. Собственно, это и есть выход компаратора.
  • ACI — флаг прерывания. Я думаю, что ты уже привык к тому, что в AVR есть прерывание на каждый чих. Компаратор не исключение. Устанавливается по событию, сбрасывается после ухода на обработчик либо программно, как всегда, записью в него 1.
  • ACIE — где есть прерывание там должен быть и бит разрешения. Это он и есть. Установив в 1 мы разрешаем прерывания от компаратора. По дефолту, естественно, нуль.
  • ACIC — подключение компаратора к схеме захвата таймера1. При попадании сигнала на схему захвата текущее значение с таймера тут же тырится в специальный регистр захвата, а таймер продолжает считать дальше. А в привязке к компаратору это удобно когда нужно измерять длительности сигналов.
  • Биты ACIS1:ACIS0 определяет условие возникновения прерывания от компаратора:
    • 00 — любое изменение на входе.
    • 01 — зарезервировано для следующих поколений
    • 10 — переход с 1 на 0
    • 11 — переход с 0 на 1

Вот за что люблю АТМеги так это за фарш! Даже свой собственный источник опорного напряжения есть. Так что из схемы со стабилитроном можно смело выкинуть все, что касается стабилитрона 🙂 Оставив только делитель, ну и подобрав плечи резисторного делителя так, чтобы получить напругу на выходе чуть выше чем 1.22V.
Мало того, если в контроллере есть АЦП, то на вывод AIN1 можно подключить ЛЮБОЙ вход АЦП. Нереально круто! Для того, чтобы это сделать нужно:

  • В регистре SFIOR (регистр специальных функций) выставить бит ACME (вроде бы так ракеты назывались в мультике про койота и страуса 😉 )
  • Выключить АЦП, сбросив бит ADEN в регистре настроек АЦП (ADCSRA)
  • В регистре ADMUX в разрядах MUX2:MUX1:MUX0 указать номер входа АЦП.

Пример:
В качестве примера я возьму своего робота. Сварганив ему систему контроля за питанием. Напряжение с аккумулятора проходит через делитель 1.5:10 в результате на 12 вольтах у нас на выходе будет (1.5/(1.5+10))*12=1.56 и только при просадке напруги до 9.5 вольт на выходе делителя будет ниже 1.22 вольта. Заюзаю пока неиспользованный вход PC5 (это вход ADC5)
Заправлю его через АЦП в компаратор, а в качестве опорного напряжения возьму встроенный ION который посажу на AIN0 изнутри. При просадке напряжения буду зажигать контрольную лампу.

Что нам нужно:
Для начала подключить ИОН — бит ACBG
Далее, бит прерывания — в обработчике прерываний я включу лампочку
Ну и выставить условие по которому будет прерывание с 0 на 1. Дело в том, что на плюс-вход компаратора идет 1.22 с ИОН, а на минус-вход пойдет 1.5 с делителя. В результате 1.22-1.5, следовательно на выходе 0. Ну, а как только ситуация поменяется будет 1.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
; Инициализирую компаратор
	LDI	R16,(1<<ACBG)|(1<<ACIE)|(1<<ACIS1)|(1<<ACIS0)
	OUT	ACSR,R16	; Забрасываем в регистр
 
	IN	R16,SFIOR	; Достаем SFIOR
	ORI	R16,(1<<ACME)	; Выставялем в нем бит ACME
	OUT	SFIOR,R16
 
; АЦП у меня по дефолту вырублен, поэтому пока не напрягаюсь с его отключением
	LDI	R16,5		; подаю напругу на 5й вход АЦП
	OUT	ADMUX,R16

; Инициализирую компаратор LDI R16,(1<<ACBG)|(1<<ACIE)|(1<<ACIS1)|(1<<ACIS0) OUT ACSR,R16 ; Забрасываем в регистр IN R16,SFIOR ; Достаем SFIOR ORI R16,(1<<ACME) ; Выставялем в нем бит ACME OUT SFIOR,R16 ; АЦП у меня по дефолту вырублен, поэтому пока не напрягаюсь с его отключением LDI R16,5 ; подаю напругу на 5й вход АЦП OUT ADMUX,R16

Ну и собственно все, осталось только добавить в программу переход по вектору

1
2
3
4
5
6
	.ORG	ACIaddr		; Analog Comparator
	RJMP	Battary_LOW
 
;И добавить где нибудь в программе обработчик прерывания
Battary_LOW:	LIGHT_ON	; Вызов макроса зажжения огня.
		RETI		; Выход из прерывания.

.ORG ACIaddr ; Analog Comparator RJMP Battary_LOW ;И добавить где нибудь в программе обработчик прерывания Battary_LOW: LIGHT_ON ; Вызов макроса зажжения огня. RETI ; Выход из прерывания.

Или вот, второй пример. Попроще.

На компаратор подается два напряжения. Одно опорное, со стабилизатора 3.3 вольта демоплаты Pinboard. Второе с потенциометра, то которое мы сравниваем. Подаются напрямую на выводы компаратора AIN0 и AIN1
Когда напряжение с потенциометра выше чем 3.3 вольта с стабилизатора, то в компараторе у нас на выходе 0 (бит ACO=0). И наоборот. Также настроено прерывание так, чтобы при попадании в него происходила инверсия бита PD4 — на нем висит светодиод LED1

Код
Обработчик прерывания:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
COMP_OK:	PUSHF				; Сохранили флаги
		PUSH	R17			; Сохранили R17
 
		INVB	PORTD,4,R17,R16		; Инвертировали бит PD4
 
		POP	R17			; Достали все из стека
		POPF				; И флаги тоже
 
		RETI				; Вышли

COMP_OK: PUSHF ; Сохранили флаги PUSH R17 ; Сохранили R17 INVB PORTD,4,R17,R16 ; Инвертировали бит PD4 POP R17 ; Достали все из стека POPF ; И флаги тоже RETI ; Вышли

Инициализация периферии:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
; Internal Hardware Init =======================================
 
;Comparator Init
		OUTI	ACSR,1<<ACIE|1<<ACIS1|1<<ACIS0	; Разрешаем прерывание
							; Ловим 0-1 переход.
; Ports Init
		SBI	DDRD,4
		SBI	DDRD,7
 
		SEI
; End Internal Hardware Init ===================================

; Internal Hardware Init ======================================= ;Comparator Init OUTI ACSR,1<<ACIE|1<<ACIS1|1<<ACIS0 ; Разрешаем прерывание ; Ловим 0-1 переход. ; Ports Init SBI DDRD,4 SBI DDRD,7 SEI ; End Internal Hardware Init ===================================

Главная программа:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
; Main =========================================================
Main:		IN	R16,ACSR	; Взяли состояние компаратора
		ANDI	R16,1<<ACO	; Оставили только бит состояния
 
		BST	R16,ACO		; Скопировали его в Т
		BLD	R16,7		; Выгрузили в 7й разряд R16
 
		IN	R17,PORTD	; Взяли значение из PORTD
		ANDI	R17,0b01111111	; Подавили значение 7го разряда
 
		OR	R17,R16		; Наложили на него значение ACO
 
		OUT	PORTD,R17	; Вернули значение в порт.
 
		RJMP	Main

; Main ========================================================= Main: IN R16,ACSR ; Взяли состояние компаратора ANDI R16,1<<ACO ; Оставили только бит состояния BST R16,ACO ; Скопировали его в Т BLD R16,7 ; Выгрузили в 7й разряд R16 IN R17,PORTD ; Взяли значение из PORTD ANDI R17,0b01111111 ; Подавили значение 7го разряда OR R17,R16 ; Наложили на него значение ACO OUT PORTD,R17 ; Вернули значение в порт. RJMP Main

Светодиод LED3 показывает состояние бита ACO, а LED1 фиксирует заходы в обработчик прерывания компаратора. При этом наблюдается мерзкий эффект — когда сравниваемые напряжения на входах компаратора очень близки, то возникает дребезг. Т.е. мельчайшие помехи уже начинают играть роль и перевешивают чашу весов компаратора то в одну то в другую сторону. Возникает жуткий дребезг. Этот дребезг надо подавлять программно. Скажем игнорировать изменения сигнала если он чаще чем раз в несколько миллисекунд.

На видео дребезг очень хорошо видно на экране осциллографа.

Сумматоры и цифровые компараторы: принцип работы, схемы

рис. 3.48Сумматоры — это комбинационные устройства, предназначенные для сложения чисел. Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим таблицу сложения (таблицу истинности), в которой отразим значения входных чисел А и В, значение результата суммирования S и значение переноса в старший разряд P (см. рис. 3.48).

Цифровые сумматоры

Работа устройства, реализующего таблицу истинность (рис. 3.48), описывается следующими уравнениями

S = А·В + А·В

Р = А·В
Очевидно, что по отношении: к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ», т. е. S = А + В. Устройство, реализующее таблицу (рис. 3.48), называют полусумматором, и оно имеет логическую структуру, изображенную на рис. 3.49.

рис. 3.49

Поскольку полусумматор имеет только два входа, он может использоваться для суммирования лишь в младшем разряде.

При суммировании двух многоразрядных чисел для каждого разряда (кроме младшего) необходимо использовать устройство, имеющее дополнительный вход переноса. Такое устройство (рис. 3.50) называют полным сумматором и его можно представить как объединение двух полусумматоров (Рвх — дополнительный вход переноса). Сумматор обозначают через SM.

рис. 3.50

Цифровые компараторы


Цифровые компараторы 
выполняют сравнение двух чисел, заданных в двоичном коде. Они могут определять равенство двух двоичных чисел A и B с одинаковым количеством разрядов либо вид неравенства A> B или A < B. Цифровые компараторы имеют три выхода.

Схема одноразрядного компаратора представляет собой структуру логического элемента «исключающее ИЛИ-НЕ» (рис. 3.51).

рис. 3.51

Из анализа схемы следует, что если A= B, то F = 1, в противном случае, т. е. при А ≠ В, F = 0. Если А > В, т. е. А = 1, В = 0, то С = 1, а если А < В, т. е. А = 0, В = 1, то D = l.

Если попарно равны между собой все разряды двух n-разрядных двоичных чисел, то равны и эти два числа А и В. Применяя цифровой компаратор для каждого разряда, например, четырехзначных чисел, и определяя значения F1, F2, F3, F4 логических переменных на выходах компараторов, факт равенства А = В установим в случае, когда F = F1 · F2 · F3 · F4 = 1. Если же F = 0, то А ≠ В.

Неравенство А > В обеспечивается (для четырехразрядного числа) в четырех случаях: или А4 > В4, или А4 = В4 и А3 > В3, или А4 = В4, А3 = В3 и А2 > В2, или А4 = В4, А3 = В3, А2 = В2 и A1 > В1 (где А4 и В4 — старшие разряды чисел А и В). Очевидно, что если поменять местами А1 и B1, то будет выполняться неравенство А < В.

Цифровые компараторы выпускают, как правило, в виде самостоятельных микросхем. Так, микросхема К564ИП2 (рис. 3.52) является четырехразрядным компаратором, в котором каждый из одноразрядных компараторов аналогичен рассмотренной ранее схеме. Данная микросхема имеет расширяющие входы А < В, А = В, А > В, что позволяет наращивать разрядность обоих чисел. Для этого компараторы соединяют каскадно или параллельно (пирамидально).

рис. 3.52 Рассмотрим каскадное соединение компараторов К564ИП2 для сравнения двух восьмиразрядных чисел (рис. 3.53). При этом соединении выходы А = В и А < В предыдущей микросхемы (младшие разряды) подключают к соответствующим входам последующей. На входы А < В, А = В, А > В микросхемы младших разрядов подают соответственно потенциалы U0 и U1 (U0 соответствует логическому 0, a U1 — «1»). В последующих микросхемах на входах А > В поддерживают потенциал логической единицы U1.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *