Компаратор принцип работы для чайников. Принцип работы компаратора: подробный обзор и применение

Что такое компаратор и как он работает. Какие бывают виды компараторов. Где применяются компараторы в электронике. Каковы основные характеристики и параметры компараторов. Как выбрать подходящий компаратор для конкретной задачи.

Что такое компаратор и его основное назначение

Компаратор — это электронное устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов и определения, какой из них больше. Его основная функция заключается в преобразовании аналогового сигнала в цифровой.

Компаратор имеет два входа:

• Инвертирующий вход (обозначается знаком «-«)
• Неинвертирующий вход (обозначается знаком «+»)

И один выход, на котором формируется логический сигнал в зависимости от результата сравнения входных напряжений.

Принцип работы компаратора

Принцип работы компаратора достаточно прост:

1. На один из входов подается опорное напряжение.
2. На второй вход подается измеряемый сигнал.
3. Компаратор сравнивает эти два напряжения.
4. Если напряжение на неинвертирующем входе больше опорного, на выходе формируется логическая «1».
5. Если напряжение на неинвертирующем входе меньше опорного, на выходе формируется логический «0».

Таким образом, компаратор преобразует непрерывно меняющийся аналоговый сигнал в дискретный цифровой сигнал с двумя уровнями.

Основные виды компараторов

Существует несколько основных видов компараторов:

1. Компараторы общего применения

Это наиболее распространенный тип компараторов для широкого спектра задач. Они обладают средними характеристиками по быстродействию и точности.

2. Прецизионные компараторы

Отличаются повышенной точностью сравнения сигналов. Применяются там, где требуется высокая точность определения порогового уровня.

3. Быстродействующие компараторы

Имеют минимальное время задержки переключения. Используются в высокоскоростных системах обработки сигналов.

4. Компараторы с гистерезисом

Обладают двумя порогами переключения, что позволяет устранить ложные срабатывания при наличии помех во входном сигнале.

Ключевые характеристики компараторов

При выборе компаратора важно учитывать следующие параметры:

• Напряжение питания — диапазон допустимых напряжений питания микросхемы
• Входной диапазон — допустимый диапазон входных напряжений
• Выходной ток — максимальный ток нагрузки на выходе
• Время задержки — задержка между изменением входного сигнала и переключением выхода
• Точность — минимальная разница входных напряжений, которую способен различить компаратор
• Гистерезис — разница между порогами переключения при нарастании и спаде сигнала

Области применения компараторов

Компараторы широко применяются в различных областях электроники и автоматики:

• Аналого-цифровые преобразователи
• Устройства защиты от перенапряжения
• Детекторы уровня сигнала
• Формирователи импульсов
• Преобразователи напряжения в частоту
• Системы управления двигателями
• Датчики приближения
• Измерительные приборы

Как выбрать подходящий компаратор

При выборе компаратора для конкретной задачи необходимо учитывать следующие факторы:

1. Требуемая точность сравнения сигналов
2. Необходимое быстродействие
3. Диапазон входных и выходных напряжений
4. Наличие дополнительных функций (гистерезис, стробирование и т.д.)
5. Тип выхода (с открытым коллектором, КМОП и др.)
6. Напряжение питания схемы
7. Стоимость и доступность компонента

Правильный выбор компаратора позволит оптимизировать работу устройства и избежать проблем при его эксплуатации.

Сравнение компаратора и операционного усилителя

Хотя компаратор и операционный усилитель (ОУ) внешне похожи, между ними есть существенные различия:

• Компаратор оптимизирован для работы без обратной связи, а ОУ — с обратной связью
• Выход компаратора рассчитан на переключение между двумя состояниями, а ОУ — на линейное усиление
• Компаратор имеет более высокое быстродействие
• ОУ обладает лучшей линейностью в активном режиме
• Компаратор может иметь несимметричное питание, а ОУ обычно требует двухполярного питания

Хотя в некоторых случаях ОУ можно использовать в качестве компаратора, для ответственных применений рекомендуется выбирать специализированные компараторы.

Типовые схемы включения компараторов

Рассмотрим несколько базовых схем на основе компараторов:

1. Простой пороговый элемент

В этой схеме компаратор сравнивает входное напряжение с фиксированным опорным уровнем:

• На инвертирующий вход подается опорное напряжение
• На неинвертирующий вход — измеряемый сигнал
• Выход переключается при превышении входным сигналом порогового уровня

2. Компаратор с гистерезисом

Добавление положительной обратной связи создает гистерезис:

• Резистор обратной связи подключается между выходом и неинвертирующим входом
• Создаются два порога переключения — верхний и нижний
• Устраняются ложные срабатывания при наличии помех

3. Оконный компаратор

Позволяет определить, находится ли сигнал в заданном диапазоне:

• Используются два компаратора
• Верхний и нижний пороги задаются опорными напряжениями
• Выходы компараторов объединяются логическим элементом

Эти базовые схемы можно модифицировать для решения различных практических задач.

Компаратор принцип работы: описание, характеристики

Автор Почемучка На чтение 18 мин. Просмотров 67

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.

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.

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.

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.

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.

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

Назначение

Фото — компараторы для компьютера

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

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

Фото — ОУ компаратор

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

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

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

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

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

• Диапазон напряжения питания.
• Диапазон входных напряжений.
• Максимальный ток на выходе компаратора.
• Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе.

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

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

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

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

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

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

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

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

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

Работа компаратора напряжения

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

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

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

Характеристики компараторов

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

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

Устройство

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

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

Компаратор с памятью и стробированием

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

Простая схема структуры устройства со стробированием:

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

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

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

Классификация

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

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

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

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

Поскольку в компараторе не используется отрицательная обратная связь, любое входное напряжение, сколь бы низким они ни было, вызывает насыщение выхода. Это означает, что выходное напряжение повышается до максимально возможного уровня, каким обычно является напряжение питания. В других схемах операционных усилителей, которые мы рассмотрели, проблемы, связанные с насыщением, устраняются при помощи отрицательной обратной связи. Но в компараторах насыщение играет положительную роль.

Принцип действия компаратора

Поскольку в компараторе не используется отрицательная обратная связь, любое входное напряжение, сколь бы низким они ни было, вызывает насыщение выхода. Это означает, что выходное напряжение повышается до максимально возможного уровня, каким обычно является напряжение питания. В других схемах операционных усилителей, которые мы рассмотрели, проблемы, связанные с насыщением, устраняются при помощи отрицательной обратной связи. Но в компараторах насыщение играет положительную роль.

Входное напряжение в компараторе может быть подано как на инвертирующий, так и на неинвертирующий входной зажим.

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

Особенности цифрового компаратора

Цифровой компаратор – это однобитный аналогово-цифровой преобразователь.

Напряжение выхода представляет либо логический «0», либо «1».

На вход может быть подан как аналоговый, так и цифровой сигнал.

Устройство используется в качестве формирователя импульсов для сопряжения схем датчиков и устройств отображения.

Может применяться для анализа спектра звукового или светового сигнала.

Компаратор – это также логические элементы «или» и «не», используемые в вычислительной технике.

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

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:

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.

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:

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:

На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:

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:

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.

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 элемента 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.

А какие безумные варианты использования компараторов приходят вам на ум?

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

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

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

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

Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (A_OL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V₁ и V₂. Выходное напряжение равно

В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?

Основные различия между ними следующие:

Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.

Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [1] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель. Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.

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

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

Очевидно, что по отношении: к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ», т. е. S = А + В.

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 (Р_вх — дополнительный вход переноса).

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U + _пит до U — _пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.

Параметры компараторов

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.

Рис. 8. Переходная характеристика компаратора m А710 при различных превышениях скачка входного напряжения U_д над опорным: 1 — на 2 мВ; 2 — на 5 мВ; 3 — на 10 мВ; 4 — на 20 мВ

Источники

Источник — http://www.texnic.ru/tools/stud/l/l009.htm
Источник — http://mobilradio.ru/information/vocabulary/comparator.htm
Источник — http://www.asutpp.ru/komparator.html
Источник — http://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/komparatory/
Источник — http://kipiavp.ru/pribori/komparator.html
Источник — http://principraboty.ru/komparator-princip-raboty/
Источник — http://eax.me/comparator/
Источник — http://www.joyta.ru/7070-komparator-opisanie-i-primenenie-chast-1/
Источник — http://www.rlocman.ru/review/article.html?di=500899
Источник — http://pue8.ru/silovaya-elektronika/909-summatory-i-tsifrovye-komparatory-printsip-raboty.html
Источник — http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/comparator/comp_1.htm

Компаратор что это такое — Строительство домов и бань

Компаратор что это такое

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.

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.

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.

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.

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

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

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

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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

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

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

Принцип работы и виды интегральных компараторов

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

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

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

• Диапазон напряжения питания.
• Диапазон входных напряжений.
• Максимальный ток на выходе компаратора.
• Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

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

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

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

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

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

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

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

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

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

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

Работа компаратора напряжения

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

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

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

Характеристики компараторов

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

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

Устройство

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

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

Компаратор с памятью и стробированием

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

Простая схема структуры устройства со стробированием.

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

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

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

Классификация

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

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

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

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

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

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

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

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

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

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

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

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

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

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

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

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

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

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

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

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

Описание работы компаратора

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

Сигнал на выходе:

1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

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

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

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

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

Входное напряжение смещения и гистерезис

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

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

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

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

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

Компаратор — это что такое? Микросхема и принцип работы

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

Как работает компаратор?

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

• Напряжение прямого входа выше инверсного – транзистор открыт.
• Напряжение инверсного входа выше прямого – закрыт.

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

Напряжение выходных каскадов соответствует входным уровням большинства цифровых микросхем. Это необходимо для случаев, когда компаратор – это формирователь импульса, управляющего работой логических элементов.

Применение компаратора

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

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

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

• индикаторы уровня входящего сигнала;
• металлоискатели;
• микро- и милливольтметры;
• детекторы электромагнитных излучений;
• лабораторные датчики;
• компараторы массы;
• газоанализаторы.

Принцип действия аналогового компаратора

Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный. Как работает устройство, показано на графике ниже.

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

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

Особенности цифрового компаратора

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

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

Характерным примером является триггер Шмитта (ТШ). У него не совпадают уровни включения и выключения, что определяется ПОС. Это позволяет пренебречь дискретной помехой при работе компаратора.

Компаратор-микросхема

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

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

• коэффициент усиления;
• входное сопротивление;
• значение входных токов;
• состояние насыщения.

Чувствительность, по-другому разрешающая способность, – это специфический параметр. Она определяет точность сравнения. Характеризуется минимальной разностью сигналов, при которой происходит срабатывание компаратора. Ее значение у интегральных микросхем имеет сотен микровольт. Это несколько хуже, чем у компараторов на операционных усилителях.

Время переключения характеризует быстродействие компараторов. Определяется минимальным временем изменения выходного сигнала: от момента сравнения до момента срабатывания. Зависит от разности сигналов на входах. Значения времени переключения составляют десятки и сотни наносекунд.

Как сделать компаратор своими руками?

Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.

В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы. При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них — неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ. Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.

Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.

Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.

Пример практического применения компаратора

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

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

Компараторы массы: понятие

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

Примеры и использование устройств уточнения веса

Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.

Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.

Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.

Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.

Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.

Аналоговые компараторы

Общие сведения

Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть U_вх — анализируемый сигнал и U_оп — опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

(1)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов

Рис. 2. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U 1 _вых — U 0 _вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами — или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх — U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх — U_оп m А710 (отечественный аналог — 521СА2), разработанного Р. Видларом (R.J.Widlar) в США в 1965 г., приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема компаратора m А710

Она представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT₁, VT₂, нагруженный на каскады ОЭ на VT₅ и VT₆. Каскад на VT₅ через транзистор VТ₄ управляет коллекторным режимом входного каскада и через транзистор в диодном включении VТ₇ фиксирует потенциал базы транзистора VT₈, делая его независимым от изменений положительного напряжения питания. Каскад на VT₆ представляет собой второй каскад усиления напряжения.

Эмиттерные выводы транзисторов VT₅ и VT₆ присоединены к стабилитрону VD₁ с напряжением стабилизации 6,2 В, поэтому потенциалы баз указанных транзисторов соответствуют приблизительно 6,9 В. Следовательно, допустимое напряжение на входах компаратора относительно общей точки может достигать 7 В. На транзисторе VT8 выполнен эмиттерный повторитель, передающий сигнал с коллектора VT₆ на выход. Постоянная составляющая сигнала уменьшается до нулевого уровня стабилитроном VD₂.

Если дифференциальное входное напряжение превышает +5. +10 мВ, то транзистор VT₆ закрыт, а VT₅ близок к насыщению. Выходной сигнал компаратора при этом не может превысить +4 В, так как для более положительных сигналов открывается диод на VT₇, не допуская излишнего роста выходного напряжения и насыщения VТ₅. При обратном знаке входного напряжения VT₆ насыщается, потенциал его коллектора оказывается близок к напряжению стабилизации стабилитронов VD₁ и VD₂, а поэтому потенциал выхода близок к нулю. Транзистор VT₉ — источник тока 3 мА для смещения VT₈ и VD₂. Часть этого тока (до 1,6 мА) может отдаваться в нагрузку, требующую вытекающий ток на входе (один вход логики ТТЛ серии 155 или 133).

В дальнейшем эта схема развивалась и совершенствовалась. Схемы многих компараторов имеют стробирующий вход для синхронизации, а некоторые модификации снабжены на выходе триггерами-защелками, т.е. схемами, фиксирующими состояние выхода компаратора по приходу синхроимпульса. Кроме того, для повышения функциональной гибкости часть ИМС компараторов (например, МАХ917-920) содержит источник опорного напряжения, а у некоторых (например, МАХ910) порог срабатывания устанавливается цифровым кодом от 0 до 2,56 В с дискретностью 10 мВ , для чего на кристалле микросхемы имеются источник опорного напряжения и 8-разрядный цифро-аналоговый преобразователь.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +/-13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников +/-15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с «открытого коллектора». Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 5.

Рис. 5. Схемы включения выходного каскада компаратора 521СА3

На рис. 5а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U + _пит до U — _пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.

Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.

На рис. 6а приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 1б). Пороговые напряжения этой схемы определяются по формулам

,

Из-за несимметрии выхода компаратора петля гистерезиса оказывается несимметричной относительно опорного напряжения.

Рис. 6. Компаратор с положительной обратной связью

В заключение, перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ.

1. Несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса — гарантировано) самовозбуждение компараторов.
2. В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.
3. Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.
4. Выходное сопротивление компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.

Двухпороговый компаратор

Двухпороговый компаратор (или компаратор «с окном») фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 7а). Как показано на рис. 7б, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U₁ m А711 (отечественный аналог — 521СА1).

Рис. 7. Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б)

Параметры компараторов

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения U_вх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения U_д при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Рис. 8. Переходная характеристика компаратора m А710 при различных превышениях скачка входного напряжения U_д над опорным: 1 — на 2 мВ; 2 — на 5 мВ; 3 — на 10 мВ; 4 — на 20 мВ

Компаратор что это такое

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

• Аналоговые компараторы, теория работы

Микросхемы, производившиеся в СССР
Технологии	РТЛ • ДТЛ • ТТЛ • ЭСЛ • N-МОП • КМОП • И 3 Л
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 частотыУР • Низкой частоты УН • Импульсных сигналов УИ • Повторители УЕ • Считывания и воспроизведения УЛ • Индикации УМ • Постоянного токаУТ • Операционные и дифференциальные УД • Прочие УП Фильтры — Ф Верхних частотФВ • Нижних частотФН • ПолосовыеФЕ • РежекторныеФР • 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 РегистрыИР • СумматорыИМ • Полусумматоры ИЛ • СчётчикиИЕ • ШифраторыИВ • ДешифраторыИД • Комбинированные ИК • Прочие ИП Элементы запоминающих устройств — Р Матрицы-накопители ОЗУ РМ • Матрицы-накопители ПЗУРВ • Матрицы-накопители ОЗУ со схемами управленияРУ • Матрицы-накопители ПЗУ со схемами управления РЕ • ППЗУ с ультрафиолетовым стираниемРФ • 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

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Компаратор» в других словарях:

КОМПАРАТОР — (фр. comparateur, от лат. comparere сравнивать). Аппарат для сравнения длины почти равных масштабов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. КОМПАРАТОР франц. comparateur, от лат. comparare, сравнивать.… … Словарь иностранных слов русского языка

компаратор — Средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Примеры 1. Рыжачные весы. 2. Компаратор для сличения нормальных элементов. [РМГ 29 99] компаратор Устройство, среда, объект, используемый для сравнения хранимых или… … Справочник технического переводчика

компаратор — а, м. comparateur. нем. Komparator <лат. comparator сравнивающий. 1. Компаратор. Comparateur. Аппарат для сравнения длины почти равных масштабом. Михельсон 1877. Прибор, с помощью которого производится сравнение и проверка линейных мер. СИС… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Компаратор — от лат. comparator сравнивающий прием, используемый в рекламе, основанный на подчеркивании преимуществ рекламируемого товара в сравнении с аналогичными, производимыми и продаваемыми другими фирмами. К. запрещен законодательствами ряда государств … Словарь бизнес-терминов

КОМПАРАТОР — (от лат. comparo сравниваю) измерительный прибор для сравнения измеряемой величины с эталоном (равноплечные весы, электроизмерительные потенциометры и др. приборы сравнения). Различают компараторы оптические, электрические, пневматические и др.… … Большой Энциклопедический словарь

КОМПАРАТОР — КОМПАРАТОР, измерительный прибор, используемый для осмотра изготовленного изделия с целью проверки его соответствия заданным параметрам, обычно путем прямого сопоставления, а иногда путем сравнения с эталонным образцом, с учетом принятых допусков … Научно-технический энциклопедический словарь

КОМПАРАТОР — (от лат. comparo сравниваю), прибор для сравнения измеряемых величин с мерами или шкалами (см. СРАВНЕНИЕ С МЕРОЙ). К. измеряют разность двух близких по величине одноимённых физ. величин, чем достигается высокая точность. Пример К. для измерений… … Физическая энциклопедия

КОМПАРАТОР — прибор для точного сравнения линейных мер. Во всех типах К. для точного измерения длин применяются микроскопы, передвигаемые микрометрическими винтами. Технический железнодорожный словарь. М.: Государственное транспортное железнодорожное… … Технический железнодорожный словарь

компаратор — сущ., кол во синонимов: 5 • блинккомпаратор (1) • миниметр (2) • радиокомпаратор … Словарь синонимов

компаратор — comparator Komparator вимірювальний прилад, що реалізує порівняння однорідних фізичних величин. Діє за принципом порівняння вимірюваної величини або характеристики (довжини, напруги, кольору тощо) з еталонною. К. є, напр., важільні терези,… … Гірничий енциклопедичний словник

что это? Отвечаем на вопрос. Микросхема и принцип работы

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

Как работает компаратор?

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

• Напряжение прямого входа выше инверсного – транзистор открыт.
• Напряжение инверсного входа выше прямого – закрыт.

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

Напряжение выходных каскадов соответствует входным уровням большинства цифровых микросхем. Это необходимо для случаев, когда компаратор – это формирователь импульса, управляющего работой логических элементов.

Применение компаратора

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

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

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

• индикаторы уровня входящего сигнала;
• металлоискатели;
• микро- и милливольтметры;
• детекторы электромагнитных излучений;
• лабораторные датчики;
• компараторы массы;
• газоанализаторы.

Принцип действия аналогового компаратора

Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный. Как работает устройство, показано на графике ниже.

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

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

Особенности цифрового компаратора

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

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

Характерным примером является триггер Шмитта (ТШ). У него не совпадают уровни включения и выключения, что определяется ПОС. Это позволяет пренебречь дискретной помехой при работе компаратора.

Компаратор-микросхема

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

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

• коэффициент усиления;
• входное сопротивление;
• значение входных токов;
• состояние насыщения.

Чувствительность, по-другому разрешающая способность, – это специфический параметр. Она определяет точность сравнения. Характеризуется минимальной разностью сигналов, при которой происходит срабатывание компаратора. Ее значение у интегральных микросхем имеет сотен микровольт. Это несколько хуже, чем у компараторов на операционных усилителях.

Время переключения характеризует быстродействие компараторов. Определяется минимальным временем изменения выходного сигнала: от момента сравнения до момента срабатывания. Зависит от разности сигналов на входах. Значения времени переключения составляют десятки и сотни наносекунд.

Как сделать компаратор своими руками?

Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.

В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы. При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них — неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ. Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.

Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.

Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.

Пример практического применения компаратора

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

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

Компараторы массы: понятие

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

Примеры и использование устройств уточнения веса

Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.

Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.

Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.

Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.

Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.

Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.

Название компаратор прижилось в отечественной литературе. Произошло оно от заимствования с английского слова compare = сравнить. Поэтому многие радиолюбители называют компаратор сравнивающим устройством.

Обычно для экономии стоимости данные схемы реализуют на операционных усилителях, но бывают и специализированные микросхемы компараторов. Они, как правило, имеют лучшее быстродействие и меньшее падение напряжения на самой микросхеме, но их невозможно использовать в качестве операционного усилителя. В данной статье речь пойдёт о использовании именно операционника (ОУ) в качестве компаратора. А вариант с использованием специализированных компараторов будет рассмотрен позже.

Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:

Рис.1. Схема подключения операционного усилителя в качестве компаратора.

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

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

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

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

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

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

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

Принцип работы

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

Фото — схема работы компаратора

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

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

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

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

Назначение

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

Фото — компараторы для компьютера

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

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

Фото — ОУ компаратор

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

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

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

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

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Описание работы компаратора

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

Сигнал на выходе:

1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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

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

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

Принцип работы и виды интегральных компараторов

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

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

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

• Диапазон напряжения питания.
• Диапазон входных напряжений.
• Максимальный ток на выходе компаратора.
• Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

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

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

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

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

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

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

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

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

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

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

Работа компаратора напряжения

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

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

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

Характеристики компараторов

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

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

Устройство

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

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

Компаратор с памятью и стробированием

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

Простая схема структуры устройства со стробированием.

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

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

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

Классификация

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

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

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

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

Похожие темы:

• Реле приоритета. Виды и особенности. Принцип действия

• Реле напряжения. Принцип действия, виды, применения

• Электронные весы. Виды и устройство. Работа и применение

• Переключатель фаз. Виды и работа. Применение и как выбрать

Входное напряжение смещения компаратора

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

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

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

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

Программирование и компаратор

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

1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

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

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.

Проектирование гистерезиса компаратора

уравнения (1) е (2) Они могут помочь решить, если сопротивление хочет создать напряжение порога гистерезиса VH и VL. Единственное значение (RX) Требуется быть выбраны произвольно.

В этой иллюстрации, RX был определен 47K, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Резус Рассчитанное 270,25k, следовательно, была осуществлена ​​немедленно стандартное значение 270K.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Гистерезис с практическим примером

В эти дни я посвященные конструкции зарядного устройства, одна ниже упрощенная версия, используемая мной на макете, чтобы установить на фактическое поле значений, которые будут использоваться. Запрограммированный первоначально установлен таким образом, что выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, когда pin3 напряжения выходит чуть выше значения стабилитрона pin2. Когда это происходит, PIN6 становится высокой и достигает следующий потенциал к напряжению питания. Это означает, что резистор обратной связи РЧ (в альт) Это практически параллельно с заданным сопротивлением в верхней половине потенциометра (показано в розовом цвете)

Это означает, что контактное напряжение 3 еще больше увеличивается. в настоящее время, когда напряжение батареи падает, шпилька 6 не отвечает, так как штифт 3 Он должен упасть стать гораздо ниже, чем штифт 2, Это означает, что уровень заряда батареи должен идти вниз относительно долго, чтобы штифт 3 упасть ниже штифта 2. Это заставило задержку между переключателем ОУ ВКЛ и ВЫКЛ в связи с резистором обратной связи называется гистерезис в операционном усилителе. После того, как PIN6 переключается на низком уровне этот раз РЧ расположена параллельно с нижней половиной потенциометра (зеленый) в результате чего порог pin3 еще ниже, и, таким образом, избегая, что несколько мВ изменения батареи может из снова переключить выходной.

На чертеже, зеленый светодиод на означает, что аккумулятор заряжен, а красный означает, что она заряжается. Этот операционный выходной усилитель может управлять теперь зарядкой батареи в автономном режиме без вмешательства схемы п дезактивации активации п.

Привет из A_X_C и AMILCARE

Примеры и использование устройств уточнения веса

Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.

Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.

Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.

Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.

Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

• LM No 339;
• LM No 311;
• MAX No 934;
• К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.

Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена

Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.

Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта — chipenable.ru

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой —  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  

   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

 

   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель — LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.

   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.   

 

 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В

 

   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation — насыщение). 

   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1..2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания. Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка. Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.

 

С учетом выше сказанного:

 

1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В

2)Uout = ~0 В

 

   То есть пока входной сигнал меньше опорного — на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю. 

 

   Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.  

 

   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 

 

 

 

   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  

   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.

 

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает. 

   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 

   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.

 

1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В

 

2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В

 

   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит. Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 

     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

 

 

   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

 

  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории. 

   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.

 

 

 

Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  

 

Uht = +Usat*R2/(R2+R1)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1)

 

 

 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором. Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 

 

   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

   Теперь о недостатках схемы.

   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  

   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

Ацп принцип работы для чайников

Давайте рассмотрим основной спектр вопросов, которые можно отнести к принципу действия аналого-цифровых преобразователей (АЦП) разных типов. Последовательный счет, поразрядное уравновешивание – что скрывается за этими словами? В чем заключается принцип работы АЦП микроконтроллера? Эти, а также ряд других вопросов мы рассмотрим в рамках статьи. Первые три части мы посвятим общей теории, а с четвертого подзаголовка будем изучать принцип их работы. Вы можете в различной литературе встречать термины АЦП и ЦАП. Принцип работы этих устройств немного различается, поэтому не путайте их. Так, в статье будет рассматриваться преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую, в то время как ЦАП работает наоборот.

Определение

Прежде чем рассматривать принцип работы АЦП, давайте узнаем, что это за устройство. Аналого-цифровые преобразователи являются приборами, которые физическую величину превращают в соответствующее числовое представление. В качестве начального параметра может выступать практически всё что угодно – ток, напряжение, емкость, сопротивление, угол поворота вала, частота импульсов и так далее. Но чтобы иметь определённость, мы будем работать только с одним преобразованием. Это «напряжение-код». Выбор такого формата работы не случаен. Ведь АЦП (принцип работы этого устройства) и его особенности в значительной мере зависят от того, какое понятие измерения используется. Под этим понимают процесс сравнения определённой величины с ранее установленным эталоном.

Характеристики АЦП

Основными можно назвать разрядность и частоту преобразования. Первую выражают в битах, а вторую – в отсчетах на секунду. Современные аналого-цифровые преобразователи могут обладать разрядностью 24 бита или скоростью преобразования, которая доходит до единиц GSPS. Обратите внимание, что АЦП может одновременно предоставлять вам в использование только одну свою характеристику. Чем большие их показатели, тем сложнее работать с устройством, да и оно само стоит дороже. Но благо можно получить необходимые показатели разрядности, пожертвовав скоростью работы прибора.

Типы АЦП

Принцип работы разнится у различных групп устройств. Мы рассмотрим следующие типы:

1. С прямым преобразованием.
2. С последовательным приближением.
3. С параллельным преобразованием.
4. Аналого-цифровой преобразователь с балансировкой заряда (дельта-сигма).
5. Интегрирующие АЦП.

Есть много других конвейерных и комбинированных типов, которые обладают своими особенными характеристиками с разной архитектурой. Но те образцы, которые будут рассматриваться в рамках статьи, представляют интерес благодаря тому, что они играют показательную роль в своей нише устройств такой специфики. Поэтому давайте будем изучать принцип работы АЦП, а также его зависимость от физического устройства.

Прямые аналого-цифровые преобразователи

Они стали весьма популярными в 60-70-х годах прошлого столетия. В виде интегральных схем производятся с 80-х гг. Это весьма простые, даже примитивные устройства, которые не могут похвастаться значительными показателями. Их разрядность обычно составляет 6-8 бит, а скорость редко превышает 1 GSPS.

Принцип работы АЦП данного типа таков: на плюсовые входы компараторов одновременно поступает входной сигнал.3=8. Итого для получения третьего разряда необходимо 8 компараторов. Таков принцип работы АЦП, которые были созданы первыми. Не очень удобно, поэтому в последующем появились другие архитектуры.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного приближения

Здесь используется алгоритм «взвешивания». Сокращенно устройства, работающие по такой методике, называют просто АЦП последовательного счета. Принцип работы таков: устройством измеряется величина входного сигнала, а потом она сравнивается с числами, которые генерируются по определённой методике:

1. Устанавливается половина возможного опорного напряжения.
2. Если сигнал преодолел предел величины из пункта №1, то сравнивается с числом, которое лежит посредине между оставшимся значением. Так, в нашем случае это будет ¾ опорного напряжения. Если опорный сигнал не дотягивает до этого показателя, то сравнение будет проводиться с другой частью интервала по такому же принципу. В данном примере это ¼ опорного напряжения.3)-1 компараторов. Для работы используется определённый массив этих устройств, каждое из которых может сравнивать входное и индивидуальное опорное напряжение. Параллельные аналого-цифровые преобразователи являются довольно быстрыми приборами. Но принцип построения этих устройств таков, что для поддержки их работоспособности необходима значительная мощность. Поэтому использовать их при батарейном питании нецелесообразно.

   Аналого-цифровой преобразователь с поразрядным уравновешиванием

   Он действует по похожей схеме, что и предыдущее устройство. Поэтому чтобы объяснить функционирование АЦП поразрядного уравновешивания, принцип работы для начинающих будет рассмотрен буквально на пальцах. В основе данных устройств лежит явление дихотомии. Иными словами, проводится последовательное сравнение измеряемой величины с определённой частью максимального значения. Могут браться значения в ½, 1/8, 1/16 и так далее. Поэтому аналого-цифровой преобразователь может выполнить весь процесс за Н итераций (последовательных шагов). Причем Н равняется разрядности АЦП (посмотрите на ранее приведённые формулы). Таким образом, мы имеем значительный выигрыш во времени, если особенно важным является быстродействие техники. Несмотря на значительную скорость, эти устройства также характеризуются низкой статической погрешностью.

   Аналого-цифровые преобразователи с балансировкой заряда (дельта-сигма)

   Это самый интересный тип устройства, не в последнюю очередь благодаря своему принципу работы. Он заключается в том, что происходит сравнение входного напряжения с тем, что накопилось интегратором. На вход подаются импульсы с отрицательной или положительной полярностью (всё зависит от результата предыдущей операции). Таким образом, можно сказать, что подобный аналого-цифровой преобразователь является простой следящей системой. Но это только как пример для сравнения, чтобы вы могли понимать, что такое дельта-сигма АЦП. Принцип работы системный, но для результативного функционирования этого аналого-цифрового преобразователя мало. Конечным результатом является нескончаемый поток единиц и нулей, который идёт через цифровой ФНЧ. Из них формируется определённая битная последовательность. Различают АЦП-преобразователи первого и второго порядков.

   Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи

   Это последний частный случай, который будет рассмотрен в рамках статьи. Далее мы будем описывать принцип работы данных устройств, но уже на общем уровне. Этот АЦП является аналого-цифровым преобразователем с двухтактным интегрированием. Встретить подобное устройство можно в цифровом мультиметре. И это не удивительно, ведь они обеспечивают высокую точность и одновременно хорошо подавляют помехи.

   Теперь давайте сосредоточимся на его принципе работы. Он заключается в том, что входным сигналом заряжается конденсатор на протяжении фиксированного времени. Как правило, этот период составляет единицу частоты сети, которая питает устройство (50 Гц или 60 Гц). Также он может быть кратным. Таким образом, подавляются высокочастотные помехи. Одновременно нивелируется влияние нестабильного напряжения сетевого источника получения электроэнергии на точность полученного результата.

   Когда оканчивается время заряда аналого-цифрового преобразователя, конденсатор начинает разряжаться с определённой фиксированной скоростью. Внутренний счетчик устройства считает количество тактовых импульсов, которые формируются во время этого процесса. Таким образом, чем больше временной промежуток, тем значительнее показатели.

   АЦП двухтактного интегрирования обладают высокой точностью и разрешающей способностью. Благодаря этому, а также сравнительно простой структуре построения они выполняются как микросхемы. Основной недостаток такого принципа работы – зависимость от показателя сети. Помните, что его возможности привязаны к длительности частотного периода источника питания.

   Вот как устроен АЦП двойного интегрирования. Принцип работы данного устройства хотя и является довольно сложным, но он обеспечивает качественные показатели. В некоторых случаях такое бывает просто необходимым.

   Выбираем АПЦ с необходимым нам принципом работы

   Допустим, перед нами стоит определенная задача. Какое выбрать устройство, чтобы оно могло удовлетворить все наши запросы? Для начала давайте поговорим про разрешающую способность и точность. Очень часто их путают, хотя на практике они очень слабо зависят один от второго. Запомните, что 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. В этом случае разрешение – это мера того, какое количество сегментов может быть выделено с входного диапазона измеряемого сигнала. Так, 8-разрядные АЦП обладают 2 8 =256 такими единицами.

   Точность – это суммарное отклонение полученного результата преобразования от идеального значения, которое должно быть при данном входном напряжении. То есть первый параметр характеризует потенциальные возможности, которые имеет АЦП, а второй показывает, что же мы имеем на практике. Поэтому нам может подойти и более простой тип (например, прямые аналого-цифровые преобразователи), который позволит удовлетворить потребности благодаря высокой точности.

   Чтобы иметь представление о том, что нужно, для начала необходимо просчитать физические параметры и построить математическую формулу взаимодействия. Важными в них являются статические и динамические погрешности, ведь при использовании различных компонентов и принципов построение устройства они будут по-разному влиять на его характеристики. Более детальную информацию можно обнаружить в технической документации, которую предлагает производитель каждого конкретного прибора.

   Пример

   Давайте рассмотрим АЦП SC9711. Принцип работы данного устройства сложен ввиду его размера и возможностей. Кстати, говоря о последних, необходимо заметить, что они по-настоящему разнообразные. Так, к примеру, частота возможной работы колеблется от 10 Гц до 10 МГц. Иными словами, оно может делать 10 млн отсчетов в секунду! Да и само устройство не является чем-то цельным, а имеет модульную структуру построения. Но используется оно, как правило, в сложной технике, где необходимо работать с большим количеством сигналов.

   Заключение

   Как видите, АЦП в своей основе имеют различные принципы работы. Это позволяет нам подбирать устройства, которые удовлетворят возникшие запросы, и при этом позволят разумно распорядиться имеющимися средствами.

   Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC) главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, с реальным миром. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы.

   ЦАП и АЦП применяются в измерительной технике (цифровые осциллографы, вольтметры, генераторы сигналов и т.д.), в бытовой аппаратуре (телевизоры, музыкальные центры, автомобильная электроника и т.д.), в компьютерной технике (ввод и вывод звука в компьютерах, видеомониторы, принтеры и т.д.), в медицинской технике, в радиолокационных устройствах, в телефонии и во многих других областях. Применение ЦАП и АЦП постоянно расширяется по мере перехода от аналоговых к цифровым устройствам. В качестве ЦАП и АЦП обычно применяются специализированные микросхемы, выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами.

   ЦАП

   Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

   В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока, имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

   На цифровые входы ЦАП подается n-разрядный код N, на аналоговый вход — опорное напряжение Uоп (другое распространенное обозначение — U_REF). Выходным сигналом является напряжение Uвых (другое обозначение — U0) или ток Iвых (другое обозначение — I0). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение.

   Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах.

   ЦАП преобразовывает сигнал в соответствии со следующей таблицей:

   Входной код	Выходное напряжение, В
   0,0000
   0,3125
   0,6250
   0,9375
   1,2500
   1,5625
   1,8750
   2,1875
   2,5000
   2,8125
   3,1250
   3,4375
   3,7500
   4,0625
   4,3750
   4,6875

   АЦП

   Микросхемы АЦП выполняют функцию, прямо противоположную функции ЦАП, — преобразуют входной аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. В общем случае микросхему АЦП можно представить в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала. Часто микросхема АЦП имеет также вход для подачи тактового сигнала CLK, сигнал разрешения работы CS и сигнал, говорящий о готовности выходного цифрового кода RDY. На микросхему подается одно или два питающих напряжения и общий провод. В целом микросхемы АЦП сложнее, чем микросхемы ЦАП, их разнообразие заметно больше, и поэтому сформулировать для них общие принципы применения сложнее.

   Опорное напряжение АЦП задает диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями. Выходной цифровой код N (n-разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2n значений, то есть АЦП может различать 2n уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдается сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N. Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задает частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.

   Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

   Дискретизация – это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов.

   При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования.

   Кодирование – это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов.

   В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

   «

   В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

   Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

   Основные характеристики АЦП

   АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

   Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

   • АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
   • АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
   • дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

   Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.

   Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

   Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

   Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

   Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

   АЦП прямого преобразования

   АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

   Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1

   Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования

   Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

   Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

   АЦП последовательного приближения

   АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

   Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

   1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

   2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

   3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

   Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

   Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

   1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

   2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

   3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

   4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

   Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

   И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

   Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

   Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

   Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

   Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

   На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

   Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

   Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

   Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

   Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

   Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

   Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

   Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

   То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

   Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

   Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.

   Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

   Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

   Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.

   Рис. 8. Первый патент на АЦП

   Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

   Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

   На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

   Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

   Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

   Как работают аналого-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП?

   Вольфганг Райс (Wolfgang Reis, WBC GmbH)
   Журнал «Компоненты и технологии», № 3’2005

    

   В статье рассказывается об устройстве и принципах действия аналогово-цифровых преобразователей различных типов, а также об их основных характеристиках, указываемых производителями в документации.

    

    

   Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — один из самых важных электронных компонентов в измерительном и тестовом оборудовании. АЦП преобразует напряжение (аналоговый сигнал) в код, над которым микропроцессор и программное обеспечение выполняют определенные действия. Даже если Вы работаете только с цифровыми сигналами, скорее всего Вы используете АЦП в составе осциллографа, чтобы узнать их аналоговые характеристики.

   Существует несколько основных типов архитектуры АЦП, хотя в пределах каждого типа существует также множество вариаций. Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.

   На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.

   Параллельные АЦП

   Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5*10⁹) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.

   Рис. 2 показывает упрощенную блок-схему 3-х разрядного параллельного АЦП (для преобразователей с большим разрешением принцип работы сохраняется). Здесь используется массив компараторов, каждый из которых сравнивает входное напряжение с индивидуальным опорным напряжением. Такое опорное напряжение для каждого компаратора формируется на встроенном прецизионном резистивном делителе. Значения опорных напряжений начинаются со значения, равного половине младшего значащего разряда (LSB), и увеличиваются при переходе к каждому следующему компаратору с шагом, равным V_REF /2³. В результате для 3-х разрядного АЦП требуется 2³-1 или семь компараторов. А, например, для 8-разрядного параллельного АЦП потребуется уже 255 (или (2⁸-1)) компараторов.

   С увеличением входного напряжения компараторы последовательно устанавливают свои выходы в логическую единицу вместо логического нуля, начиная с компаратора, отвечающего за младший значащий разряд. Можно представить преобразователь как ртутный термометр: с ростом температуры столбик ртути поднимается. На рис. 2 входное напряжение попадает в интервал между V3 и V4, таким образом 4 нижних компаратора имеют на выходе «1», а верхние три компаратора — «0». Дешифратор преобразует (2³-1) — разрядное цифровое слово с выходов компараторов в двоичный 3-х разрядный код.

   Параллельные АЦП — достаточно быстрые устройства, но они имеют свои недостатки. Из-за необходимости использовать большое количество компараторов параллельные АЦП потребляют значительную мощность, и их нецелесообразно использовать в приложениях с батарейным питанием.

    

   АЦП последовательного приближения

   Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х10³) до 1М (1х10⁶) отсчетов/сек.

   Рис. 3 показывает упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения. В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого (старшего) разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением.

   Например, для 8-разрядного АЦП последовательного приближения (рис. 4) выходы регистра при этом устанавливаются в «10000000». Если входное напряжение меньше половины входного диапазона АЦП, тогда выход компаратора примет значение логического 0. Это дает регистру последовательного приближения команду переключить свои выходы в состояние «01000000», что соответственно приведет к изменению выходного напряжения с ЦАП, подаваемого на компаратор. Если при этом выход компаратора по-прежнему оставался бы в «0», то выходы регистра переключились бы в состояние «00100000». Но на этом такте преобразования выходное напряжение ЦАП меньше, чем входное напряжение (рис. 4), и компаратор переключается в состояние логической 1. Это предписывает регистру последовательного приближения сохранить «1» во втором разряде и подать «1» на третий разряд. Описанный алгоритм работы затем вновь повторяется до последнего разряда. Таким образом, АЦП последовательного приближения требуется один внутренний такт преобразования для каждого разряда, или N тактов для N-разрядного преобразования.

   Тем не менее, работа АЦП последовательного приближения имеет особенность, связанную с переходными процессами во внутреннем ЦАП. Теоретически, напряжение на выходе ЦАП для каждого из N внутренних тактов преобразования должно устанавливаться за одинаковый промежуток времени. Но на самом деле этот промежуток в первых тактах значительно больше, чем в последних. Поэтому время преобразования 16-разрядного АЦП последовательного приближения более, чем в два раза превышает время преобразования 8-разрядного АЦП данного типа.

    

   Сигма-дельта АЦП

   Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преобразования. Так, в сигма-дельта АЦП при 16 разрядах можно получить частоту дискретизации до 100К отсчетов/сек, а при 24 разрядах эта частота падает до 1К отсчетов/сек и менее, в зависимости от устройства.

   Обычно сигма-дельта АЦП применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.

   Принцип работы сигма-дельта АЦП сложнее для понимания. Эта архитектура относится к классу интегрирующих АЦП. Но основная особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что частота следования выборок, при которых собственно и происходит анализ уровня напряжения измеряемого сигнала, существенно превышает частоту появления отсчетов на выходе АЦП (частоту дискретизации). Эта частота следования выборок называется частотой передискретизации. Так, сигма-дельта АЦП со скоростью преобразования 100К отсчетов/сек, в котором используется частота передискретизации в 128 раз больше, будет производить выборку значений входного аналогового сигнала с частотой 12.8М отсчетов/сек.

   Блок-схема сигма-дельта АЦП первого порядка приведена на рис. 5. Аналоговый сигнал подается на интегратор, выходы которого подсоединены к компаратору, который в свою очередь присоединен к 1-разрядному ЦАП в петле обратной связи. Путем серии последовательных итераций интегратор, компаратор, ЦАП и сумматор дают поток последовательных битов, в котором содержится информация о величине входного напряжения.

   Результирующая цифровая последовательность затем подается на фильтр нижних частот для подавления компонентов с частотами выше частоты Котельникова (она составляет половину частоты дискретизации АЦП). После удаления высокочастотных составляющих следующий узел — дециматор — прореживает данные. В рассматриваемом нами АЦП дециматор будет оставлять 1 бит из каждых полученных 128 в выходной цифровой последовательности.

   Так как внутренний цифровой ФНЧ в сигма-дельта АЦП представляет собой неотъемлемую часть для осуществления процесса преобразования, время установления ФНЧ становится фактором, который необходимо учитывать при скачкообразном изменении входного сигнала. Например, при переключении входного мультиплексора или при переключении предела измерения прибора необходимо подождать, пока пройдут несколько отсчетов АЦП, и лишь потом считывать корректные выходные данные.

   Дополнительным и очень важным достоинством сигма-дельта АЦП является то, что все его внутренние узлы могут быть выполнены интегральным способом на площади одного кремниевого кристалла. Это заметно снижает стоимость конечных устройств и повышает стабильность характеристик АЦП.

    

   Интегрирующие АЦП

   И последний тип АЦП, о котором пойдет здесь речь — АЦП двухтактного интегрирования. В цифровых мультиметрах, как правило, используются именно такие АЦП, т.к. в этих измерительных приборах необходимо сочетание высокого разрешения и высокого помехоподавления. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма-дельта АЦП.

   На рисунке 6 показан принцип работы АЦП двухтактного интегрирования. Входной сигнал заряжает конденсатор в течение фиксированного периода времени, который обычно составляет один период частоты питающей сети (50 или 60Гц) или кратен ему. При интегрировании входного сигнала в течение промежутка времени такой длительности высокочастотные помехи подавляются. Одновременно исключается влияние нестабильности напряжения сетевого источника питания на точность преобразования. Это происходит потому, что значение интеграла от синусоидального сигнала равно нулю, если интегрирование осуществляется во временном интервале, кратном периоду изменения синусоиды.

   По окончании времени заряда АЦП разряжает конденсатор с фиксированной скоростью, в то время как внутренний счетчик подсчитывает количество тактовых импульсов за время разряда конденсатора. Большее время разряда, таким образом, соответствует большему значению показаний счетчика и большему измеряемому напряжению (рис.6).

   АЦП двухтактного интегрирования имеют высокую точность и высокую разрешающую способность, а также имеют сравнительно простую структуру. Это дает возможность выполнять их в виде интегральных микросхем. Основной недостаток таких АЦП — большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. Например, для 50 Гц — оборудования частота дискретизации АЦП двухтактного интегрирования не превышает 25 отсчетов/сек. Конечно, такие АЦП могут работать и с большей частотой дискретизации, но при увеличении последней помехозащищенность падает.

    

   Спецификация АЦП

   Существуют общие определения, которые принято использовать в отношении аналого-цифровых преобразователей. Тем не менее, характеристики, приводимые в технической документации производителей АЦП, могут показаться довольно путаными. Правильный же выбор оптимального по сочетанию своих характеристик АЦП для конкретного приложения требует точной интерпретации данных, приводимых в технической документации.

   Наиболее часто путаемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики реального АЦП крайне слабо связаны между собой. Разрешение не идентично точности, 12-разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-разрядного АЦП это 2⁸=256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего идеального значения для данного входного напряжения. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности.

   АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае.

    

   Статическая погрешность

   В большинстве применений АЦП используют для измерения медленно изменяющегося, низкочастотного сигнала (например, от датчика температуры, давления, от тензодатчика и т.п.), когда входное напряжение пропорционально относительно постоянной физической величине. Здесь основную роль играет статическая погрешность измерения. В спецификации АЦП этот тип погрешности определяют аддитивная погрешность (Offset), мультипликативная погрешность (Full-Scale), дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и погрешность квантования. Эти пять характеристик позволяют полностью описать статическую погрешность АЦП.

    

   Идеальная передаточная характеристика АЦП

   Передаточная характеристика АЦП — это функция зависимости кода на выходе АЦП от напряжения на его входе. Такой график представляет собой кусочно-линейную функцию из 2^N «ступеней», где N — разрядность АЦП. Каждый горизонтальный отрезок этой функции соответствует одному из значений выходного кода АЦП (см. рис. 7). Если соединить линиями начала этих горизонтальных отрезков (на границах перехода от одного значения кода к другому), то идеальная передаточная характеристика будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат.

   Рис. 7 иллюстрирует идеальную передаточную характеристику для 3-х разрядного АЦП с контрольными точками на границах перехода кода. Выходной код принимает наименьшее значение (000b) при значении входного сигнала от 0 до 1/8 полной шкалы (максимального значения кода этого АЦП). Также следует отметить, что АЦП достигнет значения кода полной шкалы (111b) при 7/8 полной шкалы, а не при значении полной шкалы. Т.о. переход в максимальное значение на выходе происходит не при напряжении полной шкалы, а при значении, меньшем на наименьший значащий разряд (LSB), чем входное напряжение полной шкалы. Передаточная характеристика может быть реализована со смещением -1/2 LSB. Это достигается смещением передаточной характеристики влево, что смещает погрешность квантования из диапазона -1… 0 LSB в диапазон -1/2 … +1/2 LSB.

   Из-за технологического разброса параметров при изготовлении интегральных микросхем реальные АЦП не имеют идеальной передаточной характеристики. Отклонения от идеальной передаточной характеристики определяют статическую погрешность АЦП и приводятся в технической документации.

    

   Аддитивная погрешность

   Идеальная передаточная характеристика АЦП пересекает начало координат, а первый переход кода происходит при достижении значения 1 LSB. Аддитивная погрешность (погрешность смещения) может быть определена как смещение всей передаточной характеристики влево или вправо относительно оси входного напряжения, как показано на рис.9. Таким образом, в определение аддитивной погрешности АЦП намеренно включено смещение 1/2 LSB.

    

   Мультипликативная погрешность

   Мультипликативная погрешность (погрешность полной шкалы) представляет собой разность между идеальной и реальной передаточными характеристиками в точке максимального выходного значения при условии нулевой аддитивной погрешности (смещение отсутствует). Это проявляется как изменение наклона передаточной функции, что иллюстрирует рис. 10.

   Дифференциальная нелинейность

   У идеальной передаточной характеристики АЦП ширина каждой «ступеньки» должна быть одинакова. Разница в длине горизонтальных отрезков этой кусочно-линейной функции из 2^N «ступеней» представляет собой дифференциальную нелинейность (DNL).

   Величина наименьшего значащего разряда у АЦП составляет V_ref/2^N, где V_ref — опорное напряжение, N — разрешение АЦП. Разность напряжений между каждым кодовым переходом должна быть равна величине LSB. Отклонение этой разности от LSB определяются как дифференциальная нелинейность. На рисунке это показано как неравные промежутки между «шагами» кода или как «размытость» границ переходов на передаточной характеристике АЦП.

    

   Интегральная нелинейность

   Интегральная нелинейность (INL) — это погрешность, которая вызывается отклонением линейной функции передаточной характеристики АЦП от прямой линии, как показано на рис. 12. Обычно передаточная функция с интегральной нелинейностью аппроксимируется прямой линией по методу наименьших квадратов. Часто аппроксимирующей прямой просто соединяют наименьшее и наибольшее значения. Интегральную нелинейность определяют путем сравнения напряжений, при которых происходят кодовые переходы. Для идеального АЦП эти переходы будут происходить при значениях входного напряжения, точно кратных LSB. А для реального преобразователя такое условие может выполняться с погрешностью. Разность между «идеальными» уровнями напряжения, при которых происходит кодовый переход, и их реальными значениями выражается в единицах LSB и называется интегральной нелинейностью.

    

   Погрешность квантования

   Одна из наиболее существенных составляющих ошибки при измерениях с помощью АЦП — погрешность квантования -является результатом самого процесса преобразования. Погрешность квантования — это погрешность, вызванная значением шага квантования и определяемая как ½ величины наименьшего значащего разряда (LSB). Она не может быть исключена в аналого-цифровых преобразованиях, так как является неотъемлемой частью процесса преобразования, определяется разрешающей способностью АЦП и не меняется от АЦП к АЦП с равным разрешением.

    

   Динамические характеристики

   Динамические характеристики АЦП обычно определяют с помощью спектрального анализа, по результатам выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ) над массивом выходных значений АЦП, соответствующих некоторому тестовому входному сигналу.

   На рис. 13 представлен пример частотного спектра измеряемого сигнала. Нулевая гармоника соответствует основной частоте входного сигнала. Все остальное представляет собой шум, который содержит гармонические искажения, тепловой шум, шум 1/f и шум квантования. Некоторые составляющие шума генерируются самим АЦП, некоторые могут поступать на вход АЦП из внешних цепей. Гармонические искажения, например, могут содержаться в измеряемом сигнале и одновременно генерироваться АЦП в процессе преобразования.

   Отношение «сигнал/шум»

   Отношение «сигнал/шум» (SNR) — это отношение среднеквадратического значения величины входного сигнала к среднеквадратическому значению величины шума (за исключением гармонических искажений), выраженное в децибелах:

   SNR(dB) = 20 log [ V_signal(rms)/ V_noise(rms) ]

   Это значение позволяет определить долю шума в измеряемом сигнале по отношению к полезному сигналу.

   Шум, измеряемый при расчете SNR, не включает гармонические искажения, но включает шум квантования. Для АЦП с определенным разрешением именно шум квантования ограничивает возможности преобразователя теоретически лучшим значением отношения сигнал/шум, которое определяется как:

   SNR(db) = 6.02 N + 1.76, 
   где N — разрешение АЦП.

   Спектр шума квантования АЦП стандартных архитектур имеет равномерное распределение по частоте. Поэтому величина этого шума не может быть уменьшена путем увеличения времени преобразования и последующего усреднения результатов. Шум квантования может быть снижен только путем проведения измерений с помощью АЦП большей разрядности.

   Особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что спектр шума квантования у него распределен по частоте неравномерно — он смещен в сторону высоких частот. Поэтому, увеличивая время измерения (и, соответственно, количество выборок измеряемого сигнала), накапливая и затем усредняя полученную выборку (фильтр нижних частот), можно получить результат измерений с более высокой точностью. Естественно, при этом общее время преобразования будет возрастать.

   Другие источника шума АЦП включают тепловой шум, шум составляющей 1/f и джиттер опорной частоты.

    

   Общие гармонические искажения

   Нелинейность в результатах преобразования данных приводит к появлению гармонических искажений. Такие искажения наблюдаются как «выбросы» в спектре частот на четных и нечетных гармониках измеряемого сигнала (рис. 15).

   Эти искажения определяют как общие гармонические искажения (THD). Они определяются как:

   Величина гармонических искажений уменьшается на высоких частотах до точки, в которой амплитуда гармоник становится меньше, чем уровень шума. Таким образом, если мы анализируем вклад гармонических искажений в результаты преобразования, это можно делать либо во всем спектре частот, ограничивая при этом амплитуду гармоник уровнем шума, либо ограничивая полосу частот для анализа. Например, если в нашей системе стоит ФНЧ, то высокие частоты нам просто неинтересны и высокочастотные гармоники не подлежат учету.

    

   Отношение «сигнал/шум и искажения»

   Отношение «сигнал/шум и искажения» (SiNAD) более полно описывает шумовые характеристики АЦП. SiNAD учитывает величину как шума, так и гармонических искажений по отношению к полезному сигналу. SiNAD рассчитывается по следующей формуле:

    

   Динамический диапазон, свободный от гармоник

   Динамический диапазон, свободный от гармоник, представляет собой разницу между величиной измеряемого сигнала и наибольшим пиком искажений (см. рис.16). Этот динамический диапазон обозначается как SFDR. Он ограничен снизу амплитудой максимальной гармоники паразитных выбросов на выходе АЦП в диапазоне его рабочих частот.

   Спецификация АЦП, приводимая в технической документации на микросхемы, помогает обоснованно выбрать преобразователь для конкретного применения. В качестве примера рассмотрим спецификацию АЦП, интегрированного в новый микроконтроллер C8051F064 производства фирмы Silicon Laboratories.

    

   Микроконтроллер C8051F064

   Кристалл C8051F064 представляет собой скоростной 8-разрядный микроконтроллер для совместной обработки аналоговых и цифровых сигналов с двумя интегрированными 16-разрядными АЦП последовательных приближений. Встроенные АЦП могут работать в однопроводном и дифференциальном режимах при максимальной производительности до 1М отсчетов/сек. На рис. 17 приведены основные характеристики АЦП микроконтроллера C8051F064. Для самостоятельной оценки возможностей C8051F064 по цифровой и аналоговой обработке данных можно воспользоваться недорогим оценочным комплектом C8051F064EK (рис. 18). Комплект содержит оценочную плату на базе C8051F064, USB-кабель, документацию, а также программное обеспечение для тестирования аналоговых динамических и статических характеристик интегрированного высокоточного 16-разрядного АЦП.

   VDD= 3.0 V, AV+ = 3.0 V, AVDD = 3.0 V, VREF = 2.50 V (REFBE=0), -40 to +85°, если не указано иначе

   Параметры	Условия	Мин.	Типичное	Макс.	Единицы измерения
   Характеристики на постоянном токе
   Разрядность			16		бит
   Интегральная нелинейность	Однопроводный		±0.75	±2	LSB
   	Однопроводный		±0.5	±1	LSB
   Дифференциальная нелинейность	Гарантированная монотонность		±+0.5		LSB
   Аддитивная погрешность (смещение)			0.1		мВ
   Мультипликативная погрешность			0.008		% F.S.
   Температурный коэффициент усиления			0.5		ppm/°C
   Динамические характеристики (Частота дискретизации 1 Msps, AVDD, AV+ = 3.3 В)
   Сигнал/шум и искажения	Fin = 10 кГц, однопроводный		86		дБ
   	Fin = 100 кГц, однопроводный		84		дБ
   	Fin = 10 кГц, дифференциальный		89		дБ
   	Fin = 100 кГц, дифференциальный		88		дБ
   Общие гармонические искажения	Fin = 10 кГц, однопроводный		96		дБ
   	Fin = 100 кГц, однопроводный		84		дБ
   	Fin = 10 кГц, дифференциальный		103		дБ
   	Fin = 100 кГц, дифференциальный		93		дБ
   Динамический диапазон, свободный от гармоник	Fin = 10 кГц, однопроводный		97		дБ
   	Fin = 100 кГц, однопроводный		88		дБ
   	Fin = 10 кГц, дифференциальный		104		дБ
   	Fin = 100 кГц, дифференциальный		99		дБ

   Cписок литературы.

   1. http://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
   2. www.silabs.com

   Что такое компаратор в электронике?

   Введение

   В электронике компаратор — это электронная схема, которая сравнивает два напряжения (или тока) и выводит цифровой сигнал, указывающий, какое из них больше. Сравнение двух или более данных для определения размера числа и порядка расположения между ними. Кроме того, это схема, которая сравнивает аналоговый сигнал напряжения с опорным напряжением. Два входа компаратора представляют собой аналоговые сигналы, а выход — двоичный сигнал 0 или 1, а выход — в идеале.Когда разница входного напряжения изменяется, а положительный и отрицательный знак остается постоянным, выходное напряжение остается неизменным. Компараторы играют важную роль в разработке электрических и электронных проектов.

   Что такое компаратор?

   Каталог

   ---

   Ⅰ Принцип работы

   Обычно в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше.Теоретически операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора без отрицательной обратной связи. Однако коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок, поэтому он может обрабатывать сигналы только с очень малым входным дифференциальным напряжением. Более того, как правило, время задержки операционного усилителя велико, что не может соответствовать реальным требованиям. Компаратор можно настроить для обеспечения очень малой задержки по времени, но его частотные характеристики будут ограничены. Чтобы избежать колебаний на выходе, многие компараторы также имеют внутренние цепи гистерезиса.Порог компаратора фиксированный, у некоторых есть только один порог, а у некоторых два порога.

   Символ компаратора

   Ⅱ Основные параметры

   2.1 Напряжение гистерезиса

   Напряжение между двумя входными клеммами компаратора изменит выходное состояние, когда оно пересечет нулевое значение. Поскольку на входной вывод часто накладывается небольшое колебание напряжения, генерируемое им напряжение дифференциального режима будет вызывать частые изменения на выходе компаратора.Чтобы избежать колебаний на выходе, новый компаратор обычно имеет напряжение гистерезиса в несколько мВ. Для его существования требуются две точки переключения компаратора: одна используется для определения повышения напряжения, другая — для обнаружения падения напряжения. Разница порога напряжения (VTRIP) равна гистерезису напряжения (VHYST). Напряжение смещения гистерезисного компаратора является средним значением TRIP и VTRIP-. Точка переключения входного напряжения компаратора без гистерезиса — это входное напряжение смещения, а не ноль идеального компаратора.Кроме того, напряжение смещения обычно зависит от температуры и напряжения источника питания. Коэффициент отклонения источника питания обычно используется для выражения влияния изменений напряжения источника питания на напряжение смещения.

   2.2 Ток смещения

   Входное сопротивление идеального компаратора бесконечно. Следовательно, теоретически это не влияет на входной сигнал. Однако фактическое входное сопротивление компаратора не может быть бесконечным. На входном конце есть ток, который проходит через внутреннее сопротивление источника сигнала и течет в компаратор, тем самым создавая дополнительную разницу напряжений.Ток смещения (Ibias) определяется как среднее значение входных токов двух компараторов и используется для измерения влияния входного импеданса.

   2.3 Super Power Swing

   Для дальнейшей оптимизации диапазона рабочего напряжения компаратора Maxim использует параллельную структуру трубки NPN и трубки PNP в качестве входного каскада компаратора. Таким образом, входное напряжение компаратора может быть увеличено. В этом случае нижний предел может быть ниже самого низкого уровня, а верхний предел на 250 мВ выше, чем напряжение источника питания, чтобы достичь стандарта Beyond-the-Rail.Вход этого компаратора допускает большее синфазное напряжение.

   2.4 Напряжение сток-исток

   Компаратор имеет только два различных состояния выхода (нулевой уровень или напряжение источника питания). Его выходной каскад компаратора с характеристиками полного размаха мощности представляет собой эмиттерный повторитель, который уменьшает разницу напряжений между входными и выходными сигналами. Разность напряжений зависит от напряжения эмиттерного перехода в состоянии насыщения внутреннего транзистора компаратора, которое равно напряжению сток-исток МОП-транзистора.

   2.5 Время задержки выхода

   Включает в себя задержку передачи сигнала через компоненты, а также время нарастания и время спада сигнала. Для высокоскоростных компараторов, таких как MAX961, типичное значение времени задержки может достигать 4,5 нс, а время нарастания — 2,3 нс. Обратите внимание на влияние различных факторов на время задержки при проектировании, включая влияние температуры, емкостной нагрузки, перегрузки по входу и т. Д.
   Хотя компаратор бывает разных типов.Дизайн и конструкция каждого из них должны соответствовать обычным условиям использования, не влияя на точность измерений. Инструмент должен быть очень чувствительным и выдерживать разумное неправильное использование без непоправимого вреда.

   Ⅲ Классификация компараторов

   Компараторы подразделяются на различные типы, такие как электронные, электрические, механические, оптические, сигма, цифровые и пневматические компараторы. Они используются в различных приложениях. Речь идет об электронном компараторе.

   3.1 Компаратор напряжения

   Компаратор напряжения — это схема, которая распознает и сравнивает входные сигналы, и является основным блоком, который формирует схему генерации несинусоидальных волн. Обычно используются компараторы напряжения, включая компараторы с одним пределом, гистерезисные компараторы, оконные компараторы и компараторы напряжения с тремя состояниями. Компаратор напряжения может использоваться в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми схемами, а также схемами генерации и преобразования сигналов.

   3.2 Оконный компаратор

   Объедините два компаратора, чтобы сформировать «оконный компаратор», который широко используется. Оконный компаратор может одновременно устанавливать верхнее предельное напряжение и нижнее предельное напряжение на входе, в пределах ограниченного диапазона напряжений или вне диапазона, который нам нужен. Когда потенциальный уровень сигнала высокого уровня выше определенного заданного значения VH, это эквивалентно положительному выходу насыщения схемы компаратора. Когда потенциальный уровень сигнала низкого уровня ниже определенного заданного значения VL, это эквивалентно выходному сигналу отрицательного насыщения схемы компаратора.Компаратор имеет два порога, а характеристика передачи имеет форму окна, поэтому он называется оконным компаратором.

   3.3 Компаратор гистерезиса

   Это компаратор с характеристиками передачи петли гистерезиса, который можно понимать как однопредельный компаратор с положительной обратной связью. Когда входное напряжение vI постепенно увеличивается от нуля и VI меньше VT, выход компаратора представляет собой положительное напряжение насыщения, а VT называется верхним пороговым (триггером) уровнем.Когда входное напряжение VI> VT, выход компаратора представляет собой отрицательное напряжение насыщения, а VT называется нижним пороговым (триггерным) уровнем.

   Ⅳ ИС компаратора

   Обычными микросхемами являются LM324, LM358, uA741, TL081 \ 2 \ 3 \ 4, OP07, OP27, которые все могут быть преобразованы в компараторы напряжения (без отрицательной обратной связи). LM339 и LM393 — профессиональные компараторы напряжения с высокой скоростью переключения и малым временем задержки, которые можно использовать в особых случаях сравнения напряжений.

   Ⅴ Как выбрать компаратор?

   Принцип работы компаратора прост и понятен.Он имеет положительный вывод и отрицательный вывод. Когда напряжение на положительном контакте высокое, на выходе подается сигнал. При использовании выхода с открытым коллектором выходной вывод компаратора является коллектором транзистора или стоком полевого транзистора. При использовании двухтактного выхода компаратор имеет дополнительный каскад NPN / PNP, как в операционном усилителе. Выход с открытым коллектором используется, когда нагрузка и компаратор используют разные источники питания. По такой схеме можно реализовать соленоид на 12В, хотя компаратор может работать только на 3.3В. Другая функция выхода с открытым коллектором — минимизировать ток покоя, когда выход выключен. Среди них ток базы не протекает в выходном транзисторе N-типа, а некоторый ток базы всегда протекает через один из двух выходных транзисторов.
   Однако выход с открытым коллектором также имеет некоторые недостатки. Например, им требуются внешние подтягивающие резисторы. Эти резисторы должны выполнять задачу подтягивания в течение периода высокого импеданса, чтобы, когда выходное значение ниже, чем отключение, компаратор мог переключаться быстрее, а подтягивающий резистор повышал выходной уровень.Поэтому, когда вам нужен симметричный сигнал, не рекомендуется использовать выход с открытым коллектором, например схему восстановления тактовой частоты. Если ваша схема не требует преобразования уровня, вы должны выбрать двухтактный выход, такой как ALD2321APC, он может обеспечить выходную мощность привода 24 мА, ток покоя составляет 90 мкА.

   Высокоскоростной компаратор может также иметь выход с фиксацией, так что выход может поддерживаться в известном состоянии, чтобы соответствовать требованиям настройки и времени удержания цифрового входа за ним.Как только цифровая часть считывает выход компаратора, штифт защелки может быть отпущен, и выход может отслеживать вход.
   Высокоскоростные компараторы могут также использовать уровни ECL (эмиттерно-связанной логики) от -5 В до 0 В. Выходы PECL (положительная эмиттерно-связанная логика) имеют одинаковые колебания напряжения от 0 В до 5 В. Также имеется выход RSPECL (PECL с уменьшенной амплитудой). Два выходных контакта некоторых высокоскоростных компараторов используют выход LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация), который преобразует 300 мВ примерно в 1.Синфазное напряжение 2 В дополнительным образом. Вы можете отправлять эти выходы непосредственно на входные контакты LVDS ПЛИС (программируемая вентильная матрица) и других цифровых схем.
   В производстве технология CMOS обычно используется для создания маломощных устройств, а биполярные устройства используются для создания высокоскоростных устройств. Это представляет собой базовый компромисс: мощные высокоскоростные точные устройства и маломощные низкоскоростные устройства. Еще один компромисс — усиление и высокая скорость. Компаратор с низким энергопотреблением может занять время преобразования 70 мкс и потреблять меньше энергии.Время отклика высокоскоростного компаратора составляет 150 пс. Некоторые устройства могут преодолеть компромисс между скоростью и потребляемой мощностью. При преобразовании с максимальной скоростью потребляемая компаратором мощность намного превышает его статическое энергопотребление. В статическом состоянии ток низкий. Когда компаратор работает на более высокой скорости, он должен заряжать конденсатор. В динамическом режиме ток увеличивается с увеличением рабочей скорости. Еще одним фактором энергопотребления является нагрузка на микросхему.Для коммутируемого тока емкость также станет нагрузкой, и необходимо учитывать емкостные и резистивные составляющие нагрузки. Многие устройства имеют сломанные контакты, что может снизить потребляемую мощность до менее 1 мкА.
   Как и все моделирование, заявленная задержка распространения имеет смысл только при строго определенных условиях, потому что степень, с которой входной вывод управляется, напрямую влияет на задержку распространения. Чем больше перегрузка, тем быстрее устройство. Дисперсия — это диапазон значений задержки распространения устройства при различных уровнях перегрузки.Связь между перегрузкой и скоростью — одна из причин, по которой некоторые инженеры не хотят рассматривать скорость компаратора как функцию скорости нарастания. Необходимо определить выходной уровень, который квантован как допустимый переход, обычно максимальный выходной уровень составляет от 10% до 90%. Скорость нарастания также представляет собой требование к перегрузке, то есть, чтобы задержка распространения была как можно короче.

   Еще один параметр, который следует учитывать при выборе компаратора, — это шум. Однако производители часто опускают характеристики шума компараторов и вместо этого используют случайный джиттер для измерения шума.В дополнение к шумовому сигналу, проходящему через усиление устройства, ошибка входной апертуры и время нарастания и спада на выходе также могут влиять на джиттер. Устройство с тактовым управлением — это не что иное, как компаратор с более низким коэффициентом усиления, оптимизированный для шумов. Разработчики могут использовать входные транзисторы большего размера в КМОП-устройстве, чтобы уменьшить фликкер-шум, но этот метод увеличивает входную емкость.
   Следующим фактором должно быть номинальное напряжение компаратора. Одним из факторов, связанных с интервалом подачи питания, является допустимое синфазное напряжение на входных контактах компаратора.Некоторые устройства позволяют подтянуть выход к диапазону напряжения выше или ниже, чем напряжение источника питания. Для других устройств, когда вы вытягиваете входной контакт ниже отрицательной шины питания, выход будет инвертирован. Компаратор с входным каскадом Rail-to-Rail расширяет диапазон входного синфазного режима. Эти устройства имеют каскад с двумя входами, в котором используются транзисторы N-типа или полевые транзисторы, подключенные параллельно входному каскаду P-типа. Входное напряжение входного каскада P-типа работает вблизи земли или шины отрицательного напряжения, а входной каскад N-типа работает, когда вход переключается на шину положительного напряжения.Разработчики ИС обычно переключают устройство с уровня на 1 или 2 В ниже положительного напряжения. При перемещении по устройствам Rail-to-Rail некоторые конструкции могут минимизировать напряжение смещения.

   Другой важной характеристикой компаратора является входной ток смещения, то есть величина тока, протекающего на входной контакт или из него, когда устройство работает. КМОП-продукты имеют низкий ток смещения, что свидетельствует о несоответствии утечки в структуре ESD (электростатический разряд) входного вывода.При повышении температуры на каждые 10 ° C входной ток смещения удваивается. Ток смещения высокоскоростных компараторов может быть очевиден, но это не проблема, потому что для управления этими высокоскоростными компараторами обычно используются схемы с низким импедансом. Входной ток смещения биполярного устройства зависит от соотношения между двумя входами. В компараторе разница в 60 мВ в базовом напряжении дифференциальной входной пары дает в 10 раз большую разницу между током коллектора пары и входным током смещения.Следовательно, один вывод может потреблять или пропускать удвоенный номинальный входной ток смещения, в то время как другие контакты почти не имеют входного тока смещения, в зависимости от того, какой вывод имеет более высокое напряжение.

   Ⅵ Приложения компаратора

   6.1 Компаратор перехода через ноль

   Компаратор перехода через ноль используется для определения, является ли входное значение нулем. Принцип заключается в использовании компаратора для сравнения двух входных напряжений. Одно из двух входных напряжений — это опорное напряжение Vr, а другое — измеряемое напряжение Vu.Обычно Vr подключается к неинвертирующей входной клемме, а Vu подключается к инвертирующей входной клемме. В зависимости от результата сравнения входного напряжения выводится прямое или обратное напряжение насыщения. Когда опорное напряжение известно, можно получить результат измерения напряжения. Когда опорное напряжение равно нулю, это компаратор перехода через ноль.
   Компаратор перехода через ноль имеет небольшую ошибку измерения. Когда произведение разности напряжений между двумя входными клеммами и увеличения разомкнутого контура меньше выходного порога, детектор выдаст нулевое значение.Например, когда увеличение разомкнутого контура составляет 106, а порог выхода составляет 6 В, если разница напряжений между двумя входными каскадами меньше 6 микровольт, детектор выдает ноль. Это также можно считать неопределенностью измерения.

   6.2 Осциллятор релаксации (ROSC)

   Компараторы могут создавать осцилляторы релаксации, используя положительную и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь — это триггер Шмитта, который образует мультивибратор. RC-цепь добавляет к ней отрицательную обратную связь, которая вызывает самопроизвольные колебания схемы, превращая всю схему от защелки к релаксационному генератору.
   Сдвиг уровня использует компараторы с открытым стоком (такие как LM393, TLV3011 и MAX9028) для создания устройства сдвига уровня для изменения напряжения сигнала. Выбор подходящего подтягивающего напряжения позволяет гибко получать преобразованное значение напряжения. Например, используйте компаратор MAX972 для преобразования сигналов ± 5 В в сигналы 3 В.

   6.3 Аналого-цифровой преобразователь

   Функция компаратора заключается в том, чтобы сравнить, превышает ли входной сигнал заданное значение. Таким образом, он может преобразовывать входной аналоговый сигнал в двоичный цифровой сигнал.Почти все цифро-аналоговые преобразователи (включая дельта-сигма модуляцию) содержат схемы компараторов для квантования входного аналогового сигнала.

   6.4 Компаратор напряжения

   Компаратор напряжения можно рассматривать как операционный усилитель с бесконечным коэффициентом усиления. Функция компаратора напряжения: сравните величину двух напряжений (используя высокий или низкий уровень выходного напряжения, чтобы указать соотношение величин между двумя входными напряжениями): Когда напряжение на входной клемме «+» выше, чем «-» входной терминал, выход компаратора напряжения высокий уровень; когда напряжение на входной клемме «+» ниже, чем на входной клемме «-», на выходе компаратора напряжения низкий уровень.
   Его можно использовать в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми цепями, а также в качестве схемы генерации и преобразования сигналов. Простой компаратор напряжения может преобразовать синусоидальную волну в прямоугольную или прямоугольную волну с той же частотой. Простой компаратор напряжения имеет простую конструкцию и высокую чувствительность, но его способность к помехам оставляет желать лучшего, поэтому людям приходится его улучшать. Усовершенствованные компараторы напряжения включают в себя: гистерезисный компаратор и оконный компаратор.Операционные усилители используются для определения «рабочих параметров» с помощью контуров обратной связи и входных контуров, таких как увеличение. Величина обратной связи может быть частью или всем выходным током или напряжением. Компаратор не требует обратной связи и напрямую сравнивает количество двух входных клемм. Если неинвертирующий вход больше, чем инвертированная фаза, выход высокий, в противном случае — низкий. Вход компаратора напряжения — это линейная величина, а выход — переключатель (высокий и низкий уровень).В типичных приложениях линейный операционный усилитель иногда может использоваться для создания компаратора напряжения без отрицательной обратной связи.

   Ⅶ Компаратор операционных усилителей

   В принципе, операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора без отрицательной обратной связи. Однако из-за высокого коэффициента усиления без обратной связи он может обрабатывать сигналы только с очень малым входным дифференциальным напряжением. Более того, в этом случае время отклика операционного усилителя намного меньше, чем у компаратора, а также ему не хватает некоторых специальных функций, таких как гистерезис, внутренний опорный сигнал и так далее.Компаратор обычно нельзя использовать в качестве операционного усилителя. Компаратор может обеспечить минимальную временную задержку после настройки, но его частотные характеристики в некоторой степени ограничены. Операционный усилитель использует преимущество коррекции частотной характеристики, чтобы стать гибким и универсальным устройством. Кроме того, многие компараторы также имеют внутреннюю цепь гистерезиса, которая позволяет избежать колебаний на выходе, но ее нельзя использовать в качестве операционного усилителя.

   Часто задаваемые вопросы об электронике компаратора

   1.Что такое компаратор и его применение?
   Компаратор — это электронный компонент, который сравнивает два входных напряжения. Компараторы тесно связаны с операционными усилителями, но компаратор предназначен для работы с положительной обратной связью и с насыщением его выхода на одной или другой шине питания.

   2. Как работает схема компаратора?
   Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их и затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0»…. Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше аналогового входа на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

   3. Для чего нужен компаратор в операционном усилителе? Оконные компараторы ОУ
   — это тип схемы компаратора напряжения, в которой используются два компаратора ОУ для создания выходного сигнала с двумя состояниями, который указывает, находится ли входное напряжение в пределах определенного диапазона или окна значений с использованием двух опорных напряжений. Верхнее опорное напряжение и нижнее опорное напряжение.

   4. Как использовать компараторную электронику?
   Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения.

   5. Что такое компаратор и его типы? Компараторы
   подразделяются на различные типы, такие как электронные, электрические, механические, оптические, сигма-компараторы, цифровые и пневматические компараторы, они используются в различных приложениях.Компараторы играют важную роль в разработке электрических и электронных проектов.

   Альтернативные модели

   Деталь	Сравнить	Производители	Категория	Описание
   Производитель.Часть #: M28W640FCT70N6E	Сравнить: Текущая часть	Производитель: ST Microelectronics	Категория: Флэш-память	Описание: 64 Мбит (4 Мб x 16, загрузочный блок) 3 В, флеш-память
   Производитель.Номер детали: SST38VF6402BT-70I / TV	Сравнить: M28W640FCT70N6E VS SST38VF6402BT-70I / TV	Производители: Microchip	Категория: Флэш-память	Описание: Параллельная вспышка 3.3V 64Mbit 4M x 16Bit 48Pin TSOP T / R
   Номер детали производителя: SST38VF6402B-70I / TV	Сравнить: M28W640FCT70N6E VS SST38VF6402B-70I / TV	Производители: Microchip	Категория: Флэш-память	Описание: Параллельная вспышка 3.3 В 64 Мбит 4 м x 16 бит 48 контактов TSOP
   Номер детали производителя: AT49BV642DT-70TU	Сравнить: M28W640FCT70N6E VS AT49BV642DT-70TU	Производитель: ATMEL	Категория: Флэш-память	Описание: Флэш-память, параллельная 3В / 3.3V 64M-Bit 4M x 16 70ns 48Pin TSOP-I

   Компаратор напряжения

   | Аналоговые интегральные схемы

   Детали и материалы

   • Операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 или 353 (каталог Radio Shack № 276-038 и 900-6298, соответственно)
   • Три батареи по 6 В
   • Два потенциометра 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715)
   • Один светодиод (каталожный номер Radio Shack 276-026 или аналог)
   • Один резистор 330 Ом
   • Один резистор 470 Ом

   Для этого эксперимента требуется только один операционный усилитель.И модели 1458, и 353 представляют собой операционные усилители « с двумя », с двумя полными схемами усилителя, размещенными в одном 8-контактном DIP-корпусе.

   Я рекомендую вам приобрести и использовать операционные усилители « dual » вместо «одиночных» операционных усилителей, даже если для проекта требуется только один операционный усилитель, потому что они более универсальны (один и тот же операционный усилитель может работать в проектах, требующих только одного операционного усилителя). усилитель, а также в проектах, требующих двух). Это имеет смысл в интересах покупки и хранения наименьшего количества компонентов для вашей домашней лаборатории.

   Перекрестные ссылки

   Уроки электрических цепей , том 3, глава 8: «Операционные усилители»

   Наклоняющиеся цели

   • Чтобы проиллюстрировать, как использовать операционный усилитель в качестве компаратора

   Принципиальная схема

   Иллюстрация

   Инструкции для схемы компаратора

   Схема компаратора сравнивает два сигнала напряжения и определяет, какой из них больше.Результат этого сравнения указывается выходным напряжением: если выход операционного усилителя насыщен в положительном направлении, неинвертирующий вход (+) имеет большее или более положительное напряжение, чем инвертирующий вход (-), все напряжения измеряется относительно земли. Если напряжение операционного усилителя близко к отрицательному напряжению питания (в данном случае 0 вольт или потенциал земли), это означает, что на инвертирующий вход (-) приложено большее напряжение, чем на неинвертирующий вход (+).

   Это поведение намного легче понять, поэкспериментировав со схемой компаратора, чем прочитав чье-то словесное описание.В этом эксперименте два потенциометра подают переменные напряжения, которые операционный усилитель сравнивает. Состояние выхода операционного усилителя визуально отображается светодиодом. Регулируя два потенциометра и наблюдая за светодиодом, можно легко понять функцию схемы компаратора.

   Для лучшего понимания работы этой схемы вы можете подключить пару вольтметров к входным клеммам операционного усилителя (оба вольтметра связаны с землей), чтобы оба входных напряжения можно было численно сравнить друг с другом, эти показания измерителя по сравнению с статус светодиода:

   Цепи компаратора

   широко используются для сравнения физических измерений при условии, что эти физические переменные могут быть преобразованы в сигналы напряжения.Например, если небольшой генератор был прикреплен к колесу анемометра для создания напряжения, пропорционального скорости ветра, этот сигнал скорости ветра можно было бы сравнить с «заданным» напряжением и сравнить операционным усилителем для управления высокой скоростью ветра. будильник:

   СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

   Усилители

   в качестве компараторов? | Аналоговые устройства

   В. Что такое компаратор? Чем он отличается от операционного усилителя?

   А.Основная функция компаратора с высоким коэффициентом усиления — определить, является ли входное напряжение выше или ниже опорного напряжения, и представить это решение как один из двух уровней напряжения, установленных предельными значениями выхода. Компараторы имеют множество применений, в том числе: идентификация полярности, 1-битное аналого-цифровое преобразование, управление переключателем, генерация прямоугольных / треугольных волн и генерация фронтов импульсов.

   В принципе, для выполнения этого простого решения можно использовать любой усилитель с высоким коэффициентом усиления.Но «дьявол кроется в деталях». Итак, есть некоторые основные различия между устройствами, разработанными как операционные усилители, и устройствами, предназначенными для работы в качестве компараторов. Например, для использования с цифровой схемой многие компараторы имеют выходы с фиксацией, а все разработаны так, чтобы иметь выходные уровни, совместимые с цифровыми спецификациями уровня напряжения. Есть еще несколько важных для дизайнеров отличий — они будут обсуждаться здесь.

   В. При каких обстоятельствах можно пойти по другому пути?

   А.Усилители следует рассматривать для использования в качестве компараторов в приложениях, где необходимы малое смещение и дрейф, а также низкий ток смещения — в сочетании с низкой стоимостью. С другой стороны, существует множество конструкций, в которых усилитель не может рассматриваться как компаратор из-за его длительного времени восстановления после выходного насыщения, большой задержки распространения и неудобства обеспечения совместимости его выхода с цифровой логикой. Кроме того, вызывает беспокойство динамическая стабильность.

   Тем не менее, использование усилителей в качестве компараторов дает преимущества в стоимости и производительности — если их сходства и различия четко осознаются, а приложение может выдерживать, как правило, более низкую скорость усилителей.Никто не может утверждать, что усилитель будет служить заменой компаратора во всех случаях — но для ситуаций с низкой скоростью, требующих очень точного сравнения, производительность некоторых новых усилителей не может сравниться с характеристиками компараторов, имеющих больший шум и компенсировать. В некоторых приложениях с медленно меняющимися входами шум будет вызывать быстрое переключение выходов компаратора взад и вперед (см. «Устранение нестабильности компаратора с помощью гистерезиса», Analog Dialogue , Volume 34, 2000).Кроме того, можно сэкономить на стоимости или ценной печатной плате (PCB) в приложениях, где можно использовать двойной операционный усилитель вместо операционного усилителя и компаратора, или в конструкции, где три из четырех усилителей в пакет quad уже зафиксирован, и необходимо сравнить два сигнала постоянного тока или медленно меняющиеся сигналы.

   В. Можно ли использовать этот четвертый усилитель в качестве компаратора?

   A. Это вопрос, который сегодня задают нам многие разработчики систем.Было бы бессмысленно покупать четырехканальный операционный усилитель, использовать только три канала, а затем покупать отдельный компаратор — если действительно этот усилитель можно было бы просто использовать для функции сравнения. Однако следует понимать, что усилитель не может использоваться в качестве компаратора во всех случаях. Например, если приложение требует сравнения сигналов менее чем за микросекунду, добавление компаратора, вероятно, является единственным выходом. Но если вы понимаете внутренние архитектурные различия между усилителем и компаратором и то, как эти различия влияют на производительность этих микросхем в приложениях, вы сможете получить неотъемлемую эффективность от использования одного чипа.

   На этих страницах мы опишем параметрические различия между этими двумя ветвями технологии усилителей IC и дадим полезные советы по использованию усилителя в качестве компаратора.

   В. Так чем же отличаются усилители и компараторы?

   A. В целом операционный усилитель (операционный усилитель) оптимизирован для обеспечения точности и стабильности (как постоянного, так и динамического) для заданного линейного диапазона выходных значений в прецизионных схемах с обратной связью.Однако, когда усилитель с разомкнутым контуром используется в качестве компаратора с его выходами, колеблющимися в пределах своих пределов, его внутренняя компенсационная емкость, используемая для обеспечения динамической стабильности, заставляет выходной сигнал медленно выходить из насыщения и нарастать в пределах своего выходного диапазона. . Компараторы, с другой стороны, обычно предназначены для работы в разомкнутом контуре, при этом выходы переключаются между указанными верхним и нижним пределами напряжения в ответ на знак чистой разницы между двумя входами. Поскольку они не требуют компенсационных конденсаторов операционного усилителя, они могут работать довольно быстро.

   Если входное напряжение компаратора более положительно, чем опорное напряжение плюс смещение — V _OS (с нулевым заданием, это просто смещение) плюс требуемая повышающая частота (из-за ограниченного усиления и нелинейности выхода), a на выходе появляется напряжение, соответствующее логической «1». На выходе будет логический «0», когда на входе будет меньше V _OS и требуемая повышающая передача. Фактически, компаратор можно рассматривать как однобитовый аналого-цифровой преобразователь.

   Есть разные способы определения компаратора и усилителя. Например, в усилителе напряжение смещения — это напряжение, которое должно быть приложено ко входу, чтобы довести выход до заданного среднего значения, соответствующего идеальному нулю на входе. В компараторе это определение модифицируется так, чтобы его центр находился в указанном диапазоне напряжения от 1 до 0 на выходе. «Низкое» выходное значение компаратора (логический 0) указано на уровне менее 0,4 В макс. В компараторах с TTL-совместимыми выходами, в то время как для низковольтного усилителя низкое выходное значение очень близко к его отрицательной шине (e .г., 0 В при однополярном питании). На Рисунке 1 сравниваются низкие выходные значения типичных моделей усилителя и компаратора, с дифференциальным входом –1 мВ, приложенным к каждой из них.

   Рис. 1. Реакция моделей усилителя с однополярным питанием (63 пВ) и компаратора (280 мВ) на разность входных напряжений –1 мВ.

   Созданные для как можно более быстрого сравнения двух уровней, компараторы не имеют внутреннего компенсационного конденсатора (конденсатора Миллера), обычно встречающегося в операционных усилителях, а их выходная цепь способна обеспечивать более гибкое возбуждение, чем у операционных усилителей.Отсутствие схемы компенсации дает компараторам очень широкую полосу пропускания. На выходе обычные операционные усилители используют двухтактную схему вывода для по существу симметричных колебаний между указанными напряжениями источника питания, в то время как компараторы обычно имеют выход с «открытым коллектором» с заземленным эмиттером. Это означает, что выходной сигнал компаратора может быть возвращен через маломощный резистор нагрузки коллектора («подтягивающий» резистор) на напряжение, отличное от основного положительного источника питания. Эта функция позволяет компаратору взаимодействовать с множеством логических семейств.Использование низкого сопротивления подтягивания приводит к повышению скорости переключения и помехоустойчивости, но за счет увеличения рассеиваемой мощности.

   Поскольку компараторы редко конфигурируются с отрицательной обратной связью, их (дифференциальный) входной импеданс не умножается на усиление контура, как это характерно для схем операционного усилителя. В результате входной сигнал видит изменяющуюся нагрузку и изменяющийся (небольшой) входной ток при переключении компаратора. Следовательно, при определенных условиях необходимо учитывать импеданс ведущей точки.В то время как отрицательная обратная связь удерживает усилители в пределах их линейной выходной области, таким образом сохраняя небольшое изменение большинства внутренних рабочих точек, положительная обратная связь часто используется для принудительного перехода компараторов в состояние насыщения (и обеспечения гистерезиса для снижения чувствительности к шуму). Вход компаратора обычно допускает большие колебания сигнала, в то время как его выход имеет ограниченный диапазон из-за требований к интерфейсу, поэтому внутри компаратора требуется много быстрого сдвига уровня.

   Каждое из вышеперечисленных различий между усилителем и компаратором существует по определенной причине, главной целью которых является как можно более быстрое сравнение быстро меняющихся сигналов.Но для сравнения низкоскоростных сигналов — особенно там, где требуется разрешение менее милливольта — некоторые новые усилители Rail-to-Rail от Analog Devices могут быть более выгодными покупками, чем компараторы.

   В. ОК. Я вижу, что есть общие различия. Как они выглядят для проектировщика, который хочет использовать операционный усилитель вместо компаратора?

   A. Вот шесть основных моментов:

   1. Рассмотрим нелинейность V _OS и I _B по сравнению с нелинейностью.входное синфазное напряжение

   При использовании компараторов напряжения обычно заземляют одну входную клемму и используют несимметричный вход. Основная причина заключалась в плохом подавлении синфазного сигнала входного каскада. Напротив, многие усилители имеют очень высокий уровень подавления синфазных сигналов и способны обнаруживать микровольтные разности уровней при наличии сильных синфазных сигналов. На рис. 2 показан отклик операционного усилителя AD8605 на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В.

   Рис. 2. Реакция AD8605 без обратной связи на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В. Обратите внимание на практически линейное вращение между шинами 0 и 5 В и чистое насыщение.

   Но для многих усилителей rail-to-rail-input, входное напряжение смещения (V _OS ) и входной ток смещения (I _B ) являются нелинейными в диапазоне входных синфазных напряжений. При использовании этих усилителей пользователь должен учитывать это изменение в конструкции.Если порог установлен на нулевом синфазном уровне, но часть используется на каком-то другом уровне синфазного сигнала, то полученный логический уровень может быть не таким, как ожидалось. Например, часть со смещением 2 мВ при нулевом синфазном режиме и от 5 до 6 мВ во всем диапазоне синфазного режима может дать ошибочный выходной сигнал при сравнении разницы в 3 мВ на некоторых уровнях в этом диапазоне.

   2. Остерегайтесь входных защитных диодов

   Многие усилители имеют на входе схемы защиты.Когда два входа испытывают дифференциальное напряжение, превышающее номинальное падение напряжения на диоде (скажем, 0,7 В), защитные диоды начинают проводить ток, и вход выходит из строя. Следовательно, очень важно посмотреть на структуру входа усилителя и убедиться, что он может приспособиться к ожидаемому диапазону входных сигналов. Некоторые усилители, например OP777 / OP727 / OP747, не имеют защитных диодов; их входы могут принимать дифференциальные сигналы вплоть до уровней напряжения питания. На рисунке 3 показан отклик на большой дифференциальный сигнал на входе OP777.В этом случае выходы многих усилителей выходят из строя, а OP777 реагирует правильно. Усилители с КМОП-входом не имеют защитных диодов на входе, и их входное дифференциальное напряжение может качаться по схеме «rail-to-rail». Но помните, что в некоторых случаях подача большого дифференциального сигнала на входе вызывает значительные сдвиги параметров усилителя.

   Рисунок 3. Отклик усилителя OP777 на сигнал ± 2 В, 1 кГц, смещенный на +2 В, по сравнению с уровнем + 0,5 В постоянного тока. Обратите внимание, что для этого большого колебания нет инверсии фазы.Однако коэффициент усиления довольно низкий на уровне синфазного сигнала +0,5 В от отрицательной шины, что можно увидеть по необходимому перегрузу примерно на 0,3 В.

   3. Следите за характеристиками диапазона входного напряжения и тенденциями изменения фаз:

   В отличие от операционных усилителей, которые обычно работают с входными напряжениями на одном уровне, компараторы обычно видят большие перепады дифференциального напряжения на своих входах. Но некоторые компараторы без входов Rail-to-Rail имеют ограниченный диапазон входного синфазного напряжения.Если входы выходят за пределы указанного синфазного диапазона устройства (даже если в пределах указанного диапазона сигналов), компаратор может среагировать ошибочно. Это также может быть справедливо для некоторых из старых типов усилителей, разработанных с использованием транзисторных полевых транзисторов (JFET) и биполярных технологий. Когда входное синфазное напряжение превышает определенный предел (IVR), на выходе происходит инверсия фазы. Это явление может иметь пагубные последствия ( см. в главе 6 из Спросите инженера по приложениям », цифра после таблицы).Поэтому крайне важно выбрать усилитель, который не проявляет реверсирование фазы при перегрузке. Это одна из проблем, которую можно решить, используя усилители с разъемами rail-to-rail.

   4. Рассмотреть восстановление насыщения

   Типичные операционные усилители не предназначены для использования в качестве быстрых компараторов, поэтому отдельные каскады усиления переходят в состояние насыщения, когда выход усилителя приводится в один из крайних значений, заряжая компенсационный конденсатор и паразитные емкости.Конструктивное различие между усилителями и компараторами заключается в добавлении схемы фиксации в компараторы для предотвращения внутреннего насыщения. Когда усилитель переходит в режим насыщения, ему требуется время, чтобы восстановиться, а затем установить новое конечное выходное значение — в зависимости от выходной структуры и схемы компенсации. Из-за времени, необходимого для выхода из состояния насыщения, усилитель работает медленнее при использовании в качестве компаратора, чем при использовании под управлением в конфигурации с обратной связью. Информацию о восстановлении насыщения можно найти во многих технических паспортах усилителей.На рисунке 4 показаны графики восстановления насыщения для двух популярных усилителей (AD8061 и AD8605). Выходные структуры этих усилителей представляют собой стандартные двухтактные схемы с общим эмиттером.

   Рисунок 4. Восстановление двух популярных усилителей в замкнутой конфигурации.

   5. Факторы, влияющие на время перехода

   Скорость — одно из отличительных отличий между семейством усилителей и компараторов. Задержка распространения — это время, которое требуется компаратору для сравнения двух сигналов на его входе и для достижения его выходом средней точки между двумя выходными логическими уровнями.Задержка распространения обычно указывается с перегрузкой, которая представляет собой разность напряжений между приложенным входным напряжением и опорным напряжением, которое требуется для переключения в течение заданного времени. На следующих графиках характеристики нескольких КМОП-усилителей с разъемом «rail-to-rail» сравниваются с характеристиками популярного компаратора. Все усилители сконфигурированы, как показано на Рисунке 5 (ae), с приложенным напряжением, В _IN , = ± 0,2 В, с центром около 0 В. В случае компаратора используется подтяжка 10 кОм вместо нагрузка на землю.Скорости усилителя сильно различаются, но из-за насыщения и более низкой скорости нарастания сигнала все они намного медленнее, чем у компаратора.

   Рисунок 5а. Схема усилителя Рисунок 5б. Положительный шаг. Рисунок 5c. Отрицательный шаг. Рисунок 5г. Положительный шаг. Рисунок 5д. Отрицательный шаг.

   Рис. 5. Сравнение характеристик компаратора и трех моделей усилителя без обратной связи, напряжение ± 0,2 В. а. Схема усилителя. б. Положительный шаг. c. Отрицательный шаг. Затем с поданным сигналом 50 мВ и перегрузкой 20 мВ.Период = 10 мкс. d. Положительный шаг. е. Отрицательный шаг.

   Номер детали	Ток питания (мкА)	Напряжение смещения (мВ)	Диапазон питания (В)	Скорость нарастания (В / мкс
   AD8515	350	5,00	1,8-5,0	5
   AD8601	1 000	0.05	2,7-5,0	4
   AD8541	55	6,00	2,7-5,0	3
   AD8061	8 000	6,00	2,7-8,0	300
   LM139	3 200	6.00	5,0–3,6	—

   В то время как большинство компараторов имеют перегрузку от 2 мВ до 5 мВ, самые высокоточные усилители с низким входным смещением могут надежно работать с перегрузкой всего лишь на 0,05 мВ. Величина овердрайва, применяемого на входе, оказывает значительное влияние на задержку распространения. На рисунке 6 показан отклик AD8605 на несколько значений напряжения перегрузки.

   Рис. 6. Реакция AD8605 как компаратора на ступенчатые входы с перегрузкой 1, 10 и 100 мВ.

   Поскольку усилителям разрешено потреблять больше энергии, их скорость существенно увеличивается, так что они могут конкурировать с компараторами по времени нарастания и спада. На рисунке 7 показан пример этого — для AD8061 со скоростью нарастания 300 В / мкс в конфигурации разомкнутого контура, реагирующей на вход синусоидального перехода через нуль, время восстановления выхода составляет 19 нс. Однако одним из самых больших недостатков использования усилителя в качестве компаратора часто является его энергопотребление, поскольку обычно можно найти компараторы, потребляющие меньший ток питания ( I _SY ), но все же работающие хорошо.Конечно, для приборов, использующих сетевое питание, потребляемая мощность обычно не является большим движущим фактором. Кроме того, многие усилители имеют вывод выключения — функция, редко доступная в компараторах; его можно использовать для экономии энергии.

   Рис. 7. Реакция AD8061 как компаратора перехода через ноль.

   На рисунке 8 характеристика AD8061 на скачок сравнивается с таковой у популярного LM139 и двух других усилителей с разомкнутым контуром, подключенных по той же схеме, что и на рисунке 6. Как видно, AD8061 реагирует в течение 300 нс, что быстрее, чем LM139.Это достигается за счет более высокого потребления тока.

   Рисунок 8. Ступенчатая характеристика трех усилителей и популярного компаратора. Обратите внимание на особенно быструю реакцию AD8061.

   6. Рассмотрите способ взаимодействия с различными семействами логики

   Многие из современных усилителей с выходом rail-to-rail работают с однополярным питанием от 5 В до 15 В, что позволяет легко обеспечить TTL- или CMOS-совместимый выход без необходимости в дополнительных схемах сопряжения. Если логическая схема и операционный усилитель используют один и тот же источник питания, то операционный усилитель с рельсовой нагрузкой будет довольно успешно управлять семейством логики CMOS и TTL, но если операционный усилитель и логическая схема требуют разных уровней питания, потребуются дополнительные схемы интерфейса. .Например, рассмотрим операционный усилитель с питанием ± 5 В, который должен управлять логикой с питанием +5 В: поскольку логика может быть повреждена, если к ней приложено –5 В, особое внимание следует уделить конструкции схемы интерфейса. .

   На рисунке 9 показан OP1177 (усилитель с двойным питанием), подключенный к логической схеме, а на рисунке 10 показан его отклик на 100 мВ перегрузки. При использовании источников питания ± 5 В снижается рассеиваемая мощность в режиме покоя, а тепловая обратная связь — из-за рассеяния на выходном каскаде — сводится к минимуму по сравнению с работой при напряжении ± 15 В.Более низкое напряжение питания также уменьшает время нарастания и спада OP1177, поскольку выход нарастает в пониженном диапазоне напряжения, что, в свою очередь, сокращает время отклика выхода.

   Без схемы защиты на выходе OP1177 выход будет качаться на + V _CC2 и –V _EE2 ; эти уровни могут быть вредными для последующих логических схем. Добавление Q2 и D2 предотвращает отрицательное значение выходного сигнала и переводит пределы в уровни выходного сигнала, совместимые с TTL. D2 фиксирует выход, чтобы он не опускался ниже 0.7 В, как видно на осциллограмме V (D2,2). Значение V _CC Q2 может быть выбрано (для этого анализа было выбрано 5 В) так, чтобы получился правильный логический уровень, как показано формой сигнала V _OUT .

   Рисунок 9. OP1177, подключенный для работы компаратора, со схемой преобразования и защиты для выхода TTL. Рисунок 10. Формы сигналов отклика для схемы компаратора OP1177.

   Для экономии энергии можно использовать N-канальный MOSFET вместо NPN-транзистора, показанного на рисунке 9.

   Q. Таким образом, чистая прибыль …

   A. Усилитель может использоваться в качестве компаратора с превосходной точностью на низких частотах. Фактически, для сравнения сигналов с разрешением на уровне микровольт прецизионные усилители — единственный практический выбор. Они также могут быть экономичным выбором для пользователей многоканальных операционных усилителей, когда возможно использование свободных каналов усилителя для удовлетворения требований компаратора. Опытные дизайнеры могут сэкономить деньги при оптимизации своих конструкций, если они постараются: понять сходства и различия между усилителями и компараторами; прочтите технический паспорт усилителя, чтобы узнать о его характеристиках; понимать компромиссы во времени восстановления, скорости и энергопотреблении; и готовы проверить конструкции с усилителями, сконфигурированными как компараторы.

   Что такое оптический компаратор?

   Оптический компаратор используется для контроля качества в обрабатывающей промышленности с момента его первого патента в 1925 году. Общий дизайн за это время мало изменился, за исключением некоторых цифровых и программных усовершенствований. Постоянная популярность этого устройства свидетельствует о том, насколько оно полезно для оптической проверки деталей на соответствие и деформации.

   Здесь мы обсудим, что такое компараторы, а также следующие вопросы: для чего используется оптический компаратор, как он работает и как традиционные модели сравниваются с цифровыми?

   Содержание

   1. Что такое оптический компаратор?
   2. Как работает оптический компаратор?
   3. Недостатки традиционных оптических компараторов
   4. Цифровые оптические компараторы vs.Традиционные оптические компараторы
   5. Цифровые оптические компараторы VisionGauge®
   
   

   Что такое оптический компаратор?

   Оптические компараторы, также называемые компараторами или профильными проекторами, представляют собой измерительные инструменты, используемые в обрабатывающей промышленности. Компараторы проверяют, измеряют и сравнивают размеры изготовленных деталей. Эти измерительные инструменты работают с использованием принципов оптики, используя освещение, линзы и зеркала для проецирования увеличенного силуэта детали на экран.При этом деталь сравнивается с предписанными пределами.

   Оптические компараторы используются для проверки точности размеров и дефектов поверхности, таких как царапины и вмятины. Короче говоря, они позволяют проводить бесконтактные измерения и наблюдения, сводя к минимуму манипуляции, но при этом позволяя проводить тщательный осмотр.

   Существует две основных конфигурации оптических компараторов: горизонтальная и вертикальная. Вот как они работают:

   • Горизонтальные компараторы: В горизонтальной модели свет оптического компаратора распространяется горизонтально, поэтому зритель смотрит на силуэт, сделанный сбоку детали.Эта модель лучше всего подходит для деталей, удерживаемых в фиксированном месте — некоторые примеры включают винты, которые фиксируются на месте, или отливки, которые необходимо удерживать в тисках.
   • Вертикальные компараторы: В вертикальной модели свет оптического компаратора движется вертикально, так что зритель смотрит на деталь сверху вниз. Это лучше всего подходит для плоских компонентов, которые могут лежать на рабочем столе, например, прокладок. Они также хорошо работают с гибкими или мягкими элементами, которые должны лежать на плоской поверхности для обеспечения точного измерения.

   Оптические компараторы обоих типов можно найти в производственных цехах и лабораториях, связанных с контролем качества. Они наиболее популярны в промышленных секторах, включая научную, автомобильную, медицинскую, аэрокосмическую и оборонную промышленность.

   Как работает оптический компаратор?

   Оптические компараторы мало изменились с момента их изобретения в 1920-х годах — причина этого в том, что в технологии используется оптика, которая изменилась только по качеству, но не по функциям.Компараторы работают аналогично проекторам, обычно используемым в классах. Свет направляется через сцену к серии линз и зеркал, которые затем проецируют силуэт того, что находится на сцене, на экран.

   В оптических компараторах

   используется тот же принцип. Деталь прикрепляется к сцене, и на нее светит источник света, в результате чего изображение детали получается теневым. Тень увеличивается с помощью линз и отражается зеркалами на задней части экрана. Этот экран закреплен на известном расстоянии для целей измерения.

   Оптические компараторы могут различаться по размеру и увеличению проецируемого изображения. Оба этих показателя зависят от оптики и размера экрана компаратора. Размеры экрана для оптических компараторов варьируются от 12 до 36 дюймов, хотя доступны модели с экранами большего размера. Однако большие размеры экрана возможны только с большими корпусами, так как большее расстояние требуется для создания большего изображения без искажений.

   Еще одна отличительная черта оптических компараторов — это используемые ими процессы измерения.Для компараторов существует три различных процесса измерения:

   1. Измерение силуэта: Самый простой метод измерения — спроецировать силуэт изображения на экран для измерения. Поскольку увеличение известно, силуэт можно использовать для получения точных измерений.
   2. Сравнение точек: Второй метод измерения заключается в сравнении силуэта изображения с заданными точками на плане на экране. Силуэт детали центрируется на экране, и пользователь перемещает сцену, чтобы поразить различные точки на экране.Это измеряет, насколько сцену пришлось переместиться, чтобы деталь соответствовала точке.
   3. Программный анализ: Последний процесс измерения — цифровой, с использованием программного обеспечения для анализа и измерения изображения, созданного оптическим компаратором.

   Первые два метода используются традиционными оптическими компараторами и являются наиболее распространенными в промышленности. Третий используется в цифровых оптических компараторах, которые управляют всем процессом в электронном виде.

   Недостатки традиционных оптических компараторов

   Оптические компараторы, как правило, просты и требуют небольшого обучения для использования.Традиционные компараторы, использующие измерение силуэта или сравнение точек, просто требуют, чтобы пользователь зафиксировал деталь на месте и наблюдал за изображением на экране.

   Хотя традиционные оптические компараторы просты в использовании и эксплуатации, они также имеют недостатки, связанные с их простотой. Некоторые основные недостатки традиционных оптических компараторов включают следующее:

   • Требуется ограниченная сложность: Производственные детали становятся все более сложными, и становится все более необходимым наблюдать за ними под разными углами.Однако традиционные компараторы плохо справляются с этим.
   • Менее точный: Насколько точен оптический компаратор? Хотя традиционные оптические компараторы могут обеспечивать очень точные измерения, современные детали требуют более жестких допусков, что снижает вероятность ошибок, допускаемых любым методом ручного измерения.
   • Трудоемкость: Традиционные оптические компараторы могут измерять только одну деталь за раз. Это создает проблему при необходимости проверки большого количества деталей, что часто требуется в обрабатывающей промышленности.Это особенно актуально при одновременном осмотре большого количества деталей, поскольку система технического зрения позволяет размещать на сцене несколько деталей для осмотра одновременно.
   • Ограничения 2D: Традиционные оптические компараторы могут проецировать только 2D-изображения на экран, что может создавать проблемы для одновременного анализа нескольких измерений.

   Хотя эти ограничения не представляют проблем для неповторяющихся задач, используемых для анализа 2D-деталей, все, что находится за пределами этого определенного рабочего круга, является препятствием для традиционных оптических компараторов.Для крупномасштабного комплексного анализа необходима другая модель.

   Цифровые оптические компараторы

   и традиционные оптические компараторы

   Там, где традиционные оптические компараторы терпят неудачу, цифровые модели берут верх. Технология ручного компаратора очень полезна в небольших количествах, но с появлением более сложных деталей и крупномасштабного производства необходима автоматизация. Цифровые оптические компараторы представляют собой решение.

   Цифровые оптические компараторы

   обладают следующими преимуществами:

   • Возможности автоматизации: Эти модели используют программное обеспечение и камеры вместо человеческих глаз для анализа и измерения деталей.Программное обеспечение автоматизирует процесс измерения и выполняет его быстрее, чем это может сделать человек.
   • Возможности 3D: Цифровые оптические компараторы могут использовать несколько методов освещения и методов 3D-контроля для анализа деталей во всех трех измерениях.
   • Управление количеством: Автоматизация цифровых оптических компараторов означает, что они могут анализировать несколько деталей автоматически без вмешательства человека.
   • Точность: Цифровые оптические компараторы исключают возможность ошибки, связанной с человеческим фактором, и обеспечивают чрезвычайно точные измерения, что необходимо для многих современных отраслей и технологий.

   Эти преимущества эффективно увеличивают точность измерений оптического компаратора при одновременном сокращении трудозатрат.

   
   

   Цифровые оптические компараторы VisionGauge®

   Если ваша компания заинтересована в цифровых оптических компараторах, в которых используются возможности оптического контроля и функции автоматизации, не ищите ничего, кроме цифрового оптического компаратора VisionGauge®.

   Цифровой оптический компаратор VisionGauge® от VISIONx, Inc.- это усовершенствованный инструмент оптического анализа, который максимально расширяет возможности технологии оптического компаратора. Эти проекторы цифровых профилей чрезвычайно точны, но просты в использовании, обеспечивая быстрые и высококачественные результаты. Некоторые основные преимущества линейки цифровых оптических компараторов VisionGauge® включают следующее:

   • Более высокая пропускная способность: Система VisionGauge® полностью автоматизирована, она выполняет измерения быстро и надежно, чтобы максимизировать производительность и обрабатывать как можно больше деталей.
   • Работайте напрямую с данными САПР (майлары не требуются): Система захватывает изображения изготовленных деталей и сравнивает их непосредственно с их чертежами САПР. Это означает, что больше никаких наложений или шаблонов, что экономит время проверки.
   • Повышенная точность: Используя нашу технологию определения края субпикселя и файл CAD детали, система цифрового оптического компаратора обеспечивает максимальную точность измерений и сравнений.
   • Автоматическая отчетность: Программная система получает полную электронную документацию измерений, а также несколько вариантов отчетности, включая отчеты, диаграммы, статистику и многое другое.
   • Простота программирования, простота использования: Цифровой оптический компаратор VisionGauge® быстро устанавливается и прост в использовании, что означает, что операторы могут быстро приступить к работе. Наши интуитивно понятные опции Program Toolbox упрощают настройку программ автоматизированного контроля.
   Цифровые оптические компараторы

   VisionGauge® используют новейшие технологии, чтобы каждый раз получать высокоточные результаты измерений и контроля.

   Узнайте больше о цифровых оптических компараторах сегодня

   VISIONx, Inc.имеет в продаже несколько цифровых оптических компараторов. Каждая модель имеет конкурентные преимущества и включает программное обеспечение VisionGauge® с широким спектром применения. Помимо наших оптических компараторов, VISIONx, Inc. разрабатывает, продает и поддерживает программное обеспечение, системы и оборудование для других решений для автоматизированной обработки изображений, визуального контроля и измерений. Предлагая мощные и простые в использовании продукты, вы можете положиться на VISIONx, Inc., предлагая индивидуальные или стандартные решения в различных отраслях — от авиакосмической и автомобильной до производства электронных и медицинских устройств.

   Чтобы узнать больше о продуктах VISIONx, Inc., в том числе о наших проекторах для цифровых профилей, просмотрите наш список предложений или свяжитесь с нами через Интернет сегодня.

   Принцип работы электрического компаратора

   Theteche.com

   Детали конструкции: Электрический компаратор состоит из следующих трех основных частей, таких как

   • Преобразователь
   • Устройство отображения в виде счетчика
   • Усилитель

   Преобразователь: Железный якорь расположен между двумя витками, удерживаемыми листовой пружиной на одном конце.Другой конец упирается в плунжер. Две катушки a действуют как два плеча цепи моста из пшеничного камня переменного тока.

   Усилитель: Усилитель — это не что иное, как устройство, которое усиливает заданную частоту входного сигнала до увеличенного выходного сигнала.

   Устройство отображения или измеритель: Усиленный входной сигнал отображается на некоторых приборах оконечного каскада. Здесь конечным инструментом является счетчик.

   Принцип работы электрического компаратора

   Если якорь расположен по центру между катушками, индуктивность обеих катушек будет одинаковой, но в противоположном направлении со сменой знака.Благодаря этому мостовая схема переменного тока, мост Уитстона сбалансирована.

   Следовательно, счетчик покажет нулевое значение. Но практически это невозможно. В реальных случаях якорь может подниматься или опускаться плунжером во время измерения.

   Это нарушило бы баланс цепи моста Уитстона. Из-за этого эффекта соответственно будет индуцировано изменение тока или потенциала. В то время. измеритель покажет какое-то значение как смещение.

   Это указанное значение может относиться как к большим, так и к меньшим компонентам.Поскольку этот наведенный ток слишком мал, его следует соответствующим образом усилить перед отображением в измерителе.

   Проверка точности

   Чтобы проверить точность данного образца или работы, сначала стандартный образец помещается под поршень. После этого сопротивление моста Уитстона
   регулируется так, чтобы показание шкалы показывало ноль. Затем образец удаляется.

   Теперь работа вводится под плунжер. Если присутствует изменение высоты работы, плунжер будет перемещаться вверх или вниз.

   Соответствующее движение плунжера сначала усиливается усилителем, а затем передается на измеритель, чтобы показать изменения. Наименьший счет этого электрического компаратора составляет 0,001 мм (один микрон).

   Электронный компаратор

   В электрическом компараторе соблюдается индукционный преобразователь или принцип применения частотной модуляции или радиоволн.

   Детали конструкции: В электронном компараторе установлены следующие компоненты:

   • Преобразователь
   • Осциллятор
   • Усилитель
   • Демодулятор
   • Измеритель

   Преобразователь: Преобразует движение плунжера в электрический сигнал.Связан с осциллятором.

   Генератор: Генератор, который принимает электрический сигнал от преобразователя и увеличивает амплитуду частотной волны путем добавления несущей частоты, называемой модуляцией.

   Усилитель: Усилитель подключен между генератором и демодулятором. Выходящий из генератора сигнал усиливается до необходимого уровня.

   Демодулятор: Демодулятор — это не что иное, как устройство, отсекающее внешнюю несущую частоту.Он преобразует модулированную волну в исходную волну в виде электрического сигнала.

   Измеритель: Это не что иное, как устройство отображения, выходное значение которого может быть получено как линейное измерение.

   Принцип действия: Измеряемая работа помещается под поршень электронного компаратора. И рабочий, и компаратор опираются на пластину поверхности. Линейное движение плунжера преобразуется в электрический сигнал с помощью подходящего преобразователя.

   Затем он отправляется в генератор для модуляции электрического сигнала путем добавления несущей частоты волны.

   После этого усиленный сигнал отправляется на демодулятор, в котором несущие волны отсекаются. Наконец, демодулированный сигнал передается в измеритель для преобразования движения наконечника зонда в линейное измерение в качестве выходного сигнала. Для приведения в действие счетчика уже предусмотрено отдельное электрическое питание постоянного тока.

   Преимущества электрического и электронного компаратора

   • В нем меньше движущихся частей.
   • Получено очень большое увеличение.
   • В одном приборе предусмотрены два или более увеличения для использования различных диапазонов.
   • Стрелка сделана очень легкой, поэтому она более чувствительна к вибрации.
   • Инструмент очень компактный.

   Недостатки электрического и электронного компаратора

   • Для срабатывания счетчика требуется внешнее агентство.
   • Изменение напряжения или частоты может повлиять на точность вывода.
   • Из-за нагревательных катушек точность снижается.
   • Дороже механического компаратора.

   Что такое компараторы? — Utmel

   Сравнение двух или более элементов данных для определения того, равны ли они, или определение соотношения размеров и порядка расположения между ними называется сравнением. Схема или устройство, которое может реализовать эту функцию сравнения, называется компаратором.

   Каталог

   Ⅰ Принцип

   Компаратор — это схема, которая сравнивает аналоговый сигнал напряжения с опорным напряжением.Два входа компаратора представляют собой аналоговые сигналы, а выход представляет собой двоичный сигнал 0 или 1. Когда разность входного напряжения увеличивается или уменьшается, а знак положительного и отрицательного остается неизменным, выход остается постоянным.

   Компаратор может использоваться как 1-битный аналого-цифровой преобразователь ( ADC ). В принципе, операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора, когда не добавляется отрицательная обратная связь, но поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок, он может обрабатывать сигналы только с очень малым входным дифференциальным напряжением.Более того, как правило, время задержки операционного усилителя велико, что не может удовлетворить фактические потребности. Компаратор можно настроить для обеспечения очень малой задержки по времени, но его частотные характеристики будут ограничены. Чтобы избежать колебаний на выходе, многие компараторы также имеют внутренние цепи гистерезиса. Порог компаратора фиксированный, у некоторых есть только один порог, а у некоторых два порога.

   Ⅱ Рабочие характеристики

   Напряжение гистерезиса : Напряжение между двумя входными клеммами компаратора изменит свое выходное состояние, когда оно пересечет нулевое значение.Поскольку на входную клемму часто накладываются небольшие колебания напряжения, напряжение дифференциального режима, генерируемое этими колебаниями, приведет к постоянному изменению выходного сигнала компаратора. Во избежание колебаний на выходе новые компараторы обычно имеют напряжение гистерезиса в несколько мВ. Наличие напряжения гистерезиса приводит к тому, что точки переключения компаратора становятся двумя: одна используется для обнаружения повышения напряжения, другая — для обнаружения падения напряжения, разность порога напряжения (VTRIP) равна напряжению гистерезиса. (VHYST).Напряжение смещения гистерезисного компаратора является средним значением TRIP и VTRIP-. Точка переключения входного напряжения компаратора без гистерезиса — это входное напряжение смещения, а не нулевое напряжение идеального компаратора. Напряжение смещения обычно зависит от температуры и напряжения источника питания. Коэффициент отклонения источника питания обычно используется для выражения влияния изменений напряжения источника питания на напряжение смещения.

   Рисунок 1. независимый компаратор

   Ток смещения : входной импеданс идеального компаратора бесконечен, поэтому теоретически он не влияет на входной сигнал, но входной импеданс фактического компаратора не может быть бесконечным.На входе имеется ток, который проходит через внутреннее сопротивление источника сигнала и течет в компаратор, что создает дополнительную разницу давлений. Ток смещения (Ibias) определяется как среднее значение входных токов двух компараторов и используется для измерения влияния входного импеданса. Максимальный ток смещения компараторов серии MAX917 составляет всего 2 нА.

   Super power Swing : Для дальнейшей оптимизации диапазона рабочего напряжения компаратора Maxim использует параллельную структуру трубки NPN и трубки PNP в качестве входного каскада компаратора, так что входное напряжение компаратора может быть расширен.Нижний предел может быть самым низким уровнем, верхний предел на 250 мВ выше, чем напряжение источника питания, что соответствует стандарту Beyond-theRail. Входная клемма этого компаратора допускает большее синфазное напряжение.

   Напряжение сток-исток : компаратор имеет только два различных выходных состояния (нулевой уровень или напряжение источника питания), а выходной каскад компаратора с характеристиками полного размаха мощности является эмиттерным повторителем. Следовательно, между его входным и выходным сигналами существует очень небольшая разница давлений.Разность напряжений зависит от напряжения эмиттерного перехода в состоянии насыщения внутреннего транзистора компаратора, что соответствует напряжению сток-исток МОП-транзистора.

   Время задержки вывода : оно включает в себя задержку передачи сигнала через компоненты, а также время нарастания и время спада сигнала. Для высокоскоростных компараторов, таких как MAX961, типичное значение времени задержки может достигать 4,5 нс, а время нарастания — 2,3 нс. При проектировании обратите внимание на влияние различных факторов на время задержки, включая влияние температуры, емкостной нагрузки и перегрузки по входу.

   Ⅲ Классификация

   Компаратор напряжения перехода через нуль : Типовая схема сравнения амплитуд, ее принципиальная схема и кривая характеристики передачи показаны на рисунке.

   Рисунок 2. Компаратор напряжения перехода через нуль

   Компаратор напряжения : измените входную клемму компаратора перехода через ноль с земли на фиксированное значение напряжения, чтобы получить компаратор напряжения. Его принципиальная схема и кривая характеристики передачи показаны на рисунке.

   Рисунок 3. Компаратор фиксированного напряжения

   Оконный компаратор : Схема состоит из двух компараторов амплитуды, нескольких диодов и резисторов. Схема и характеристики передачи показаны на рисунке. Когда потенциальный уровень сигнала высокого уровня выше определенного заданного значения VH, это эквивалентно положительному выходу насыщения схемы компаратора. Когда потенциальный уровень сигнала низкого уровня ниже определенного заданного значения VL, это эквивалентно выходному сигналу отрицательного насыщения схемы компаратора.Этот компаратор имеет два порога, а характеристика передачи имеет форму окна, поэтому он называется оконным компаратором.

   Рисунок 4. оконный компаратор

   Компаратор гистерезиса : Ветвь резисторного делителя протягивается от выхода к неинвертирующему входу. Схема и характеристики передачи показаны на рисунке. Когда входное напряжение vI постепенно увеличивается от нуля и VI меньше VT, выход компаратора представляет собой положительное напряжение насыщения, а VT называется верхним пороговым (триггером) уровнем.Когда входное напряжение VI> VT ‘, выход компаратора представляет собой отрицательное напряжение насыщения, а VT’ называется нижним пороговым (триггером) уровнем.

   Рисунок 5. гистерезисный компаратор

   Ⅳ Приложение

   Четыре компаратора используются для формирования цепи обнаружения тока, которая может использоваться для индикации четырех состояний входного тока. Резистор «Шунт» используется для преобразования входного тока в сигнал напряжения. R1 и R2 используются для установки коэффициента усиления операционного усилителя и являются компараторами, обеспечивающими необходимое опорное напряжение.R4 ~ R7 можно использовать для установки порогов обнаружения, соответствующих различным состояниям цифрового выхода.

   Компаратор перехода через ноль

   Компаратор перехода через ноль используется для определения, является ли входное значение нулем. Принцип заключается в использовании компаратора для сравнения двух входных напряжений. Одно из двух входных напряжений — это опорное напряжение Vr, а другое — измеряемое напряжение Vu. Как правило, Vr подключается к неинвертирующему входному терминалу, а Vu подключается к инвертирующему входному терминалу.В зависимости от результата сравнения входного напряжения выводится прямое или обратное напряжение насыщения. Когда опорное напряжение известно, можно получить результат измерения измеряемого напряжения. Когда опорное напряжение равно нулю, это компаратор перехода через ноль.

   Компаратор перехода через ноль, построенный на основе компаратора, имеет определенную погрешность измерения. Когда произведение разности напряжений между двумя входными клеммами и усиления без обратной связи меньше порогового значения на выходе, детектор выдаст нулевое значение.Например, когда увеличение разомкнутого контура составляет 106, а порог выхода составляет 6 В, если разница напряжений между двумя входными каскадами меньше 6 микровольт, детектор выдает ноль. Это также можно считать неопределенностью измерения.

   Осциллятор релаксации

   Компараторы могут использоваться для создания осцилляторов релаксации, в которых применяются как положительная, так и отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь — это триггер Шмитта, который образует мультивибратор.RC-цепь добавляет к ней отрицательную обратную связь, которая вызывает самопроизвольные колебания схемы, превращая всю схему от защелки к релаксационному генератору.

   Сдвиг уровня использует компараторы с открытым стоком (такие как LM393, TLV3011 и MAX9028) для создания устройства сдвига уровня для изменения напряжения сигнала. Выбор подходящего повышающего напряжения позволяет гибко выбирать значение преобразованного напряжения. Например, используйте компаратор MAX972 для преобразования сигналов & plusmn; 5 В в сигналы 3 В.

   Аналого-цифровой преобразователь

   Функция компаратора заключается в том, чтобы сравнить, превышает ли входной сигнал заданное значение, чтобы он мог преобразовать входной аналоговый сигнал в двоичный цифровой сигнал. Почти все цифро-аналоговые преобразователи, включая дельта-сигма модуляцию, содержат компараторы для квантования входного аналогового сигнала.

   Ⅴ Компаратор напряжения

   Компаратор напряжения можно рассматривать как операционный усилитель с коэффициентом усиления, близким к «бесконечности».Функция компаратора напряжения заключается в сравнении величины двух напряжений (с использованием высокого или низкого уровня выходного напряжения, чтобы указать соотношение между двумя входными напряжениями): Когда напряжение на входной клемме «+» выше, чем входной терминал «-», выход компаратора напряжения — высокий уровень; когда напряжение на входной клемме «+» ниже, чем на входной клемме «-», на выходе компаратора напряжения низкий уровень.

   Роль компаратора напряжения: его можно использовать в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми схемами, а также схемами генерации и преобразования сигналов.Простой компаратор напряжения может преобразовать синусоидальную волну в прямоугольную или прямоугольную волну с той же частотой. Простой компаратор напряжения имеет простую конструкцию и высокую чувствительность, но его способность к помехам оставляет желать лучшего, поэтому людям приходится его улучшать. Усовершенствованные компараторы напряжения включают гистерезисный компаратор и оконный компаратор. Операционные усилители используются для определения «рабочих параметров» с помощью контуров обратной связи и входных контуров, таких как увеличение. Обратная связь может быть частью или всем выходным током или напряжением.Компаратор не требует обратной связи и напрямую сравнивает количество двух входных клемм. Если неинвертирующий входной сигнал больше инвертированной фазы, выходной сигнал высокий, в противном случае — низкий. Вход компаратора напряжения является линейной величиной, а выход — величиной переключателя (высокого и низкого уровня). В обычных приложениях линейные операционные усилители иногда могут использоваться для создания компараторов напряжения без отрицательной обратной связи.

   Микросхемы, которые могут использоваться как компараторы напряжения: все операционные усилители.Распространенными являются LM324 LM358 uA741 TL081 \ 2 \ 3 \ 4 OP07 OP27, которые могут быть преобразованы в компараторы напряжения (без отрицательной обратной связи). LM339 и LM393 — профессиональные компараторы напряжения с высокой скоростью переключения и малым временем задержки. Их можно использовать в особых случаях сравнения напряжения. По сути, это еще и операционный усилитель.

   Схемы компаратора | 2 важных типа | инвертирование

   Первоначально загрузившим изображение обложки был — Zephyris в английской Википедии., Microchips, CC BY-SA 3.0

   Содержание
   Что такое схема компаратора?

   Компаратор или компаратор напряжения — это устройство, используемое для сравнения двух уровней напряжения. Мы можем определить, какой уровень напряжения выше, по выходу компаратора. Это применение типичных операционных усилителей, и, кроме того, у него есть приложения.

   Что делает схема компаратора?

   Компаратор сравнивает два заданных входных напряжения и выдает выходной сигнал, указывающий, какое напряжение имеет более высокое значение.Схема принимает вход с помощью инвертирующих и неинвертирующих клемм и обеспечивает выход с выходной клеммы. Выходной диапазон лежит между положительным напряжением насыщения и отрицательным напряжением насыщения.

   Схема компаратора | Схема компаратора на ОУ

   На рисунке ниже представлена ​​принципиальная схема схемы компаратора. Как мы можем заметить, схема содержит только операционный усилитель, и входное напряжение подается в нее через инвертирующие и неинвертирующие клеммы.

   Схема компаратора

   Схема компаратора разработана с использованием операционного усилителя. Для его готовности к работе предусмотрены входные напряжения. В нем нет встроенной системы обратной связи. Опорное напряжение и сигнал напряжения подаются через операционный усилитель. Также предусмотрены входы положительного и отрицательного напряжения насыщения. Ориентировочный выходной сигнал собирается с выхода операционного усилителя.

   Как работает схема компаратора?

   Принцип работы компаратора довольно прост.Как правило, он сравнивает два источника напряжения и обеспечивает большую мощность. Ниже упомянутые два пункта констатируют работу.

   • Если напряжение на неинвертирующей клемме выше, чем напряжение на инвертирующей клемме, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
   • Если напряжение инвертирующей клеммы выше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.
   Схема компаратора напряжения с ОУ 741

   Операционный усилитель 741 — это интегральная схема, содержащая ОУ.Компаратор напряжения может быть создан с использованием ОУ 741. На изображении ниже представлена ​​принципиальная схема неинвертирующего компаратора напряжения с ОУ 741.

   Компаратор с ОУ 741

   Блок-схема компаратора

   Можно представить работу компаратора с помощью блок-схем. На следующем изображении представлена ​​блок-схема компаратора,

   Блок-схема компаратора
   Реле цепи компаратора

   Реле — это переключатели, которые могут управлять цепью.Он может включать или выключать цепь, а также может подключать и отключать цепь от другой цепи. Компаратор широко используется в качестве реле.

   Схема компаратора использует

   Компаратор — ценное и важное устройство. Есть несколько применений компараторов. Некоторые применения компараторов перечислены ниже.

   • Детектор нуля: Если значение равно нулю, детектор нуля обнаруживает его. Компаратор обычно представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления, а для управляемых входов компаратор подходит для обнаружения нуля.
   • Сдвигатель уровня: Сдвигатель уровня может быть сконструирован с использованием одного операционного усилителя. Используя подходящее подтягивающее напряжение, схема обеспечивает большую гибкость при выборе интерпретируемых напряжений.
   • Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): Компараторы используются для создания аналого-цифровых преобразователей. В преобразователе выход показывает, какое напряжение выше. Эта операция аналогична 1-битному квантованию. Именно поэтому компараторы используются практически в каждом аналого-цифровом преобразователе.
   • Помимо упомянутых приложений, существует множество других компараторов, таких как — Осциллятор релаксации, в детекторах абсолютного значения, в детекторах перехода через ноль, в оконных детекторах и т. Д. могут быть разработаны с использованием компараторов. Микросхема LM311 является таким примером нечеткого компаратора. Мы обсудим это позже, когда речь идет о LM311.
     Как сделать компаратор?

     Компаратор — это конкретное и простое в изготовлении электрическое устройство.Чтобы построить компаратор, нам понадобится операционный усилитель и напряжения питания. Сначала на операционный усилитель подается положительное и отрицательное напряжение насыщения. Выходной сигнал будет изменяться в этом диапазоне напряжений. Затем вводятся их инвертирующие и неинвертирующие клеммы. Опорное напряжение подается на неинвертирующую клемму, а входное напряжение — на инвертирующую клемму. С этой схемой не связана система обратной связи.

     Схема компаратора напряжения

     Схема компаратора может обнаруживать высокие значения напряжений между двумя напряжениями.Компараторы, которые обычно сравнивают по напряжениям, известны как схема компаратора напряжения.

     Принципиальная схема фазового компаратора

     Фазовый компаратор — это аналоговая логическая схема, способная к смешиванию и умножению. Он обнаруживает разность фаз между двумя заданными сигналами, генерируя сигнал напряжения. На изображении ниже представлена ​​принципиальная схема фазового компаратора.

     микросхемы компаратора

     Как упоминалось ранее, компаратор сравнивает два сигнала напряжения и выдает ориентировочный выходной сигнал.Компараторы встроены в интегральную схему для удобства использования. На изображении ниже представлены схемы для компаратора ic.

     Типичная микросхема компаратора
     Схема компаратора lM358

     lm358 — это микросхема компаратора, состоящая из двух компараторов внутри нее. Он имеет восемь контактов. Эта микросхема не требует какого-либо независимого внешнего источника питания для работы каждого компаратора. Принципиальная схема микросхемы приведена ниже.

     LM358 IC компаратора
     внутренняя схема компаратора

     Компаратор разработан с использованием операционного усилителя — операционного усилителя в качестве дополнительной схемы.Внутренняя схема внутри микросхемы приведена ниже на схеме. Наблюдая за схемой, мы видим, что она состоит в основном из транзисторов, диодов и резисторов. Внутреннюю схему можно разделить на три части в зависимости от их работы. Это входной каскад, каскад усиления и выходной каскад.

     Схема компаратора | Схема транзисторного компаратора

     Принципиальная схема компаратора приведена ниже. Внутренняя принципиальная схема такая же, как и схема внутреннего компаратора.В нем есть диоды, транзисторы и резисторы. Компоненты с внутренним подключением работают как компаратор.

     Схема компаратора триггера Шмитта

     Триггер Шмитта — это вирусная схема, используемая для повышения помехоустойчивости и снижения вероятности множественного переключения.

     Триггер Шмитта — это схема компаратора с отдельными уровнями переключения входов для изменения выходов. Схема компаратора триггера Шмитта изображена на схеме ниже.

     555 схема компаратора таймера

     555 таймер представляет собой схему генератора.Он известен как таймер 555, поскольку в нем есть три резистора по 5 кОм, которые внутренне подключены для обеспечения опорных напряжений для обоих компараторов схем таймера. Микросхема таймера A555 используется в таймерах задержки, светодиодных индикаторах, генерации импульсов и т. Д. Базовая блок-схема микросхемы таймера 555 приведена ниже. Есть два компаратора, транзистор NPN, триггер, три резистора 5 кОм и выходной драйвер.

     Схема компаратора с использованием lm324

     lm324 — это микросхема операционного усилителя общего назначения с четырьмя операционными усилителями внутри.Его также можно использовать в качестве компаратора. Операционные усилители обладают более высокой стабильностью и более широкой полосой пропускания. LM324 имеет 14 контактов. Схема выводов lm324 приведена ниже.

     9015-Первый компаратор 4 Компаратор 9015 Неинвертирующий вход 9015

     Номер контакта	Описание
     1	Выход первого компаратора
     2	Инвертирующий вход первого компаратора
     3
     Напряжение питания 5 В
     5	Неинвертирующий вход второго компаратора
     6	Инвертирующий вход второго компаратора
     7	Выход второго компаратора
     9	Инвертирующий вход третьего компаратора
     10	Неинвертирующий вход третьего компаратора
     11	Штырь заземления (GND)
     12	13	Четвертая Compa Инвертирующий вход rator
     14	Выход четвертого компаратора

     Принципиальная схема компаратора LM324 изображена на диаграмме ниже.

     Схема компаратора lm139

     lm139 — еще одна микросхема компаратора. Он имеет четыре отдельных прецизионных компаратора. Микросхема предназначена для работы от одного источника питания. Он специально разработан для прямого взаимодействия с транзисторно-транзисторной логикой и комплементарной МОП-логикой. IC имеет задержку распространения 0,7 микросекунды.

     На изображении ниже показана внутренняя принципиальная схема компаратора lm139.

     Схема компаратора lm319

     lm319 — еще одна микросхема компаратора, имеющая 14 контактов.Он имеет два отдельных прецизионных компаратора. Микросхема предназначена для работы в широком диапазоне напряжений питания. Он специально разработан для прямого взаимодействия с транзисторно-транзисторной логикой и комплементарной МОП-логикой, RTL, DTL. IC имеет задержку распространения 0,025 микросекунды.

     Схема компаратора напряжения lm311

     lm311 — еще одна микросхема компаратора, имеющая восемь контактов. Имеет единственный компаратор. Микросхема имеет минимальное время отклика 0.200 наносекунд и типичное усиление по напряжению 200.

     На рисунке ниже изображена внутренняя принципиальная схема компаратора lm311.

     LM 311 Компараторы
     Схема компаратора lm339

     lm339 — еще одна микросхема компаратора. Он имеет четыре отдельных прецизионных компаратора. Микросхема предназначена для работы от одного источника питания и для широкого диапазона напряжений. Он специально разработан для прямого взаимодействия с транзисторно-транзисторной логикой, дополнительной МОП-логикой и DTL, ECL, MOS-логикой.IC имеет задержку распространения 0,7 микросекунды.

     Пример схемы компаратора на ОУ

     Схемы компаратора на ОУ используются в различных приложениях. Например, чтобы убедиться, что входное значение достигло пика или определенного значения или нет, или для квантования в АЦП, также в оконных детекторах, детекторах перехода через нуль и т. Д.

     Схема компаратора окна напряжения

     A оконный компаратор относится к схеме, которая работает только в определенном кадре, окне или напряжении.Компаратор напряжения сравнивает два сигнала и выдает выходной сигнал. Для схемы оконного компаратора существует так называемый сэндвич-эффект: если входное напряжение становится выше, чем опорное напряжение низкого уровня. Цепь включена, и если входное напряжение становится выше, чем опорное напряжение высокого уровня, тогда цепь ВЫКЛЮЧЕНА.

     Компоненты, необходимые для компаратора окна напряжения:

     • Операционные усилители LM741 (2)
     • 4049 Чип инвертора (1)
     • Резистор 470 Ом (1)
     • 1N4006 Диоды (2)
     • 7 LED

     Схема компаратора окна напряжения показана на рисунке ниже.

     Схема компаратора с защелкой

     Компаратор с защелкой разработан с использованием защелки StrongArm. Защелка StrongArm считается первичным каскадом усиления решения. На следующем этапе используется фиксирующий элемент, несущий выходную нагрузку.

     Схема компаратора операционного усилителя с гистерезисом

     Разница между верхней точкой срабатывания и нижней точкой срабатывания является гистерезисом. Гистерезис исходит из концепции триггера Шмитта.Если типичный компаратор разработан с положительной обратной связью, эта схема вызывает гистерезис. На изображении ниже изображена принципиальная схема.

     Схема рекуперативного компаратора

     Схема триггера Шмитта также называется схемами рекуперативного компаратора. Они используются для повышения помехоустойчивости и снижения вероятности многократного переключения схем регенеративного компаратора для разработки других сложных схем. Они используются в АЦП, схемах слайсеров, считывании памяти и т. Д. Принципиальная схема триггера Шмитта упоминается как принципиальная схема схемы рекуперативного компаратора.

     Схема температурного компаратора

     Температурная схема — это цифровая электронная схема, которая измеряет, ниже ли температура на входе заданной эталонной температуры. Это один из основных примеров схемы компаратора. Датчики температуры включают компаратор.

     Часто задаваемые вопросы
     1. Как работает схема компаратора?

     Ответ: Принцип работы компаратора довольно прост.Как правило, он сравнивает два источника напряжения и обеспечивает большую мощность. Ниже упомянутые два пункта констатируют работу.

     • Если напряжение на неинвертирующей клемме выше, чем напряжение на инвертирующей клемме, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
     • Если напряжение инвертирующей клеммы выше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.
     2. Типы схем компаратора

     Ответ: Есть несколько типов компараторов. Некоторые из широко используемых усилителей перечислены ниже.

     • Механические компараторы
     • Механические, оптические компараторы
     • Электронные компараторы
     • Пневматические компараторы 9.Почему выходное напряжение в схеме компаратора операционного усилителя равно напряжению насыщения?

       Ответ: Цепи компаратора не имеют связанной с ними обратной связи. Таким образом, операционный усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи. Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления без обратной связи бесконечен, а для практичного операционного усилителя коэффициент усиления очень высокий. Теперь напряжение насыщения типичных операционных усилителей составляет + — 15 В. Операционный усилитель насыщается при +13 или -13 В. Теперь операционный усилитель быстро насыщается при небольшом входном напряжении.Именно поэтому выходное напряжение в схеме компаратора равно напряжению насыщения.

       4. Почему в схеме компаратора ОУ используется опорное напряжение

       Ответ: Сравнение выполняется между двумя или более величинами. Чтобы указать, что более важно, нам нужна ссылка, чтобы решить. Нам нужно определить, какое напряжение более важно для компаратора. Вот почему для принятия решения используется опорное напряжение.

       5.Как схема цифрового компаратора различает меньшее и большее значащее число

       Ответ: Цифровой компаратор сравнивает два двоичных числа. Компаратор сначала определяет эквивалентное напряжение двоичных чисел, а затем определяет, какое число меньше, какое число является значимым.

       Для получения дополнительных статей по электронике щелкните здесь

       О Sudipta Roy

       Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
       Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.