Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен

При разработке электронных схем зачастую надо сравнить уровень двух напряжений. Для этого используется такое устройство, как компаратор. Название узла восходит к латинскому comparare, или, скорее, к английскому to compare – сравнивать.

Внешний вид и схема подключения компаратора напряжения на LM393

Что такое компаратор напряжения

Компаратором в общем случае называется устройство, имеющее два входа для подачи сравниваемых величин (напряжений) и выход для результата сравнения. Компаратор имеет два входа для подачи сравниваемых параметров – прямой и инверсный. На выходе устанавливается логическая единица при превышении напряжения прямого входа над инверсным и ноль – если наоборот. Если при положительной разности между инверсным и прямым входом устанавливается единица, а в противоположной ситуации – ноль, то такой компаратор называется инвертирующим.

Принцип работы компаратора

Компаратор удобно строить на операционном усилителе (ОУ). Для этого непосредственно используются его свойства:

  • усиление разности сигнала между прямым и инвертирующим входом;
  • бесконечный (на практике – от 10000 и выше) коэффициент усиления.

Работу ОУ в качестве компаратора можно рассмотреть при такой схеме включения:

Схема работы ОУ в качестве компаратора.

Пусть имеется ОУ с коэффициентом усиления 10000, напряжение питания двуполярное, + 5 В и минус 5 В. Делителем на инвертирующем входе установлен опорный уровень ровно 0 вольт, на прямом входе с движка потенциометра снимается минус 5 вольт. Операционный усилитель должен усилить разницу в 10000 раз, теоретически на выходе должно появиться напряжение минус 50000 вольт. Но такого напряжения операционнику взять негде, и он создает максимум возможного – напряжение питания, минус 5 вольт.

Если начать поднимать напряжение на прямом входе, ОУ будет стараться выставить разность напряжений между входами, умноженную на 10000. Это ему удастся, когда входное напряжение приблизится к нулю и станет равным примерно минус 0,0005 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения на положительном входе, выходное будет подниматься до нуля и выше, и при напряжении +0,0005 вольт станет равным +5 В и дальше не поднимется – некуда. Таким образом, при прохождении входным напряжением уровня нуля (точнее, минус 0,0005 вольт — + 0,0005) произойдет скачок выходного напряжения от минус 5 вольт до +5 вольт. Иными словами, пока напряжение на прямом входе ниже, чем на инвертирующем, на выходе компаратора устанавливается ноль. Если выше – единица.

Интерес представляет участок разности уровня на входах от минус 0,0005 вольт до + 0,0005. В теории при его прохождении произойдет плавный подъём от отрицательного напряжения питания до положительного. На практике этот диапазон очень узок, и из-за наводок, помех, нестабильности напряжения питания и т.д. при примерном равенстве напряжений на входах будет происходить хаотичное срабатывание компаратора в обе стороны. Чем ниже коэффициент усиления ОУ, тем это окно нестабильности шире. Если компаратор управляет исполнительным механизмом, то это вызовет его срабатывание в такт (щелканье реле, хлопанье клапана и т.п.), что может привести к его механической поломке или перегреву.

Чтобы этого избежать, создается неглубокая положительная обратная связь включением резистора, указанного штриховой линией. Это создает небольшой гистерезис, смещая пороги переключения при прохождении напряжения вверх и вниз относительно опорного. Например, вверх компаратор будет переключаться при 0,1 вольт, а вниз – ровно при нуле (зависит от глубины обратной связи). Это исключит окно нестабильности. Номинал этого резистора может быть от нескольких сотен килоом до нескольких мегаом. Чем ниже сопротивление, тем больше разница между порогами.

Также имеются специализированные микросхемы компараторов. Например, LM393. В таких микросхемах имеется быстродействующий операционный усилитель (или несколько), может быть установлен встроенный делитель, создающий опорное напряжение. Ещё одно отличие таких компараторов от устройств, построенных на ОУ общего применения – многим из них требуются однополярный источник питания. Большинству операционников нужно двуполярное напряжение. Выбор типа микросхемы производится при разработке устройства.

Особенности цифровых компараторов

Компараторы применяются и в цифровой технике, хотя это звучит, на первый взгляд, парадоксально. Ведь здесь имеется всего два уровня напряжения – единица и ноль. И сравнивать их бессмысленно. Зато можно сравнить два двоичных числа, в которые можно преобразовать и любые аналоговые величины (включая напряжение).

Пусть имеется два двоичных слова одинаковой длины в битах:

X=X3X2X1X0 и Y=Y3Y2Y1Y.

Они считаются равными по значению, если все биты поразрядно равны:

1101=1101 => X=Y.

Если же хотя бы один бит отличается, то числа неравны. Большее число определяется поразрядным сравнением начиная со старшего бита:

  • 1101>101 – здесь первый бит X больше первого бита Y, и X>Y;
  • 1101>101 – первые биты равны, но второй бит у X больше и X>Y;
  • 111<1110 – у Y третий бит больше, и большее значение у младшего разряда X не имеет значения, X<Y.

Реализацию такого сравнения можно построить на логических микросхемах базовых элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, но проще применить готовые изделия. Например, 4063 (КМОП), 7485 (ТТЛ), отечественная К564ИП2 и другие серии микросхем. Они представляют собой 2-8 разрядные компараторы с соответствующим количеством входов данных и управляющих входов. Выходов у цифровых компараторов в большинстве случаев 3:

  • больше;
  • меньше;
  • равно.

В отличие от аналоговых устройств, у двоичных компараторов равенство на входах не является нежелательной ситуацией и её не стараются избегать.

Такое устройство несложно построить и программным способом с помощью функций Булевой алгебры. Иной вариант – многие микроконтроллеры имеют «на борту» аналоговые компараторы с отдельными внешними выводами, выдающие на внутреннюю схему уже готовый результат сравнения двух величин в виде 0 или 1. Так экономится ресурс небольших вычислительных систем.

Где применяется компаратор напряжения

Сфера применения компаратора широка. На нём, например, можно построить пороговое реле. Для этого нужен датчик, преобразующий любую величину в напряжение. Такой величиной могут быть:

  • уровень освещенности;
  • уровень шума;
  • уровень жидкости в сосуде или резервуаре;
  • любые другие величины.

Схема компаратора с входным напряжением от датчика.

Потенциометром можно устанавливать уровень срабатывания компаратора. Выходной сигнал через ключ выдается на индикатор или исполнительный механизм.

Если увеличить гистерезис, то компаратор может работать в качестве триггера Шмитта. При подаче на вход медленно изменяющегося напряжения, на выходе получится дискретный сигнал с крутыми фронтами.

Два элемента могут быть соединены в двупороговый компаратор, или компаратор окна.

Схема двупорогового компаратора или компаратора окна.

Здесь пороговое напряжение задается раздельно для каждого компаратора – для верхнего на прямом входе, для нижнего на инверсном. Свободные входы объединены, на них подается измеряемое напряжение. Выходы соединены по схеме «монтажное ИЛИ». При выходе напряжения за установленный верхний или нижний предел, один из компараторов выдает на выходе высокий уровень.

Из нескольких элементов собирается многоуровневый компаратор, который можно использовать, как линейный индикатор напряжения, или величину, которая преобразована в напряжение. Для четырех уровней схема будет такая:

Схема 4-х уровневого компаратора.

В этой схеме на вход каждого элемента подается своё опорное напряжение. Инвертирующие входы соединены вместе, на них приходит измеряемый сигнал. При достижении уровня срабатывания загорается соответствующий светодиод. Если излучающие элементы расположить в линейку, получится световая полоса, длина которой изменяется в соответствии с уровнем поданного напряжения.

Схема 4-х уровневого компаратора с шифратором.

Эта же схема может применяться в качества аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Он преобразует входное напряжение в соответствующий двоичный код. Чем больше элементов входит в АЦП, тем больше разрядность, тем точнее преобразование. На практике кодом-линейкой пользоваться неудобно, и он преобразовывается в привычный код с помощью шифратора. Шифратор можно построить на логических элементах, воспользоваться готовой микросхемой или применить ПЗУ с соответствующей прошивкой.

Сфера применения компараторов в профессиональной и любительской схемотехнике разнообразна. Грамотное применение этих элементов позволяет решать широкий круг задач.

Похожие статьи:
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector