Двухпороговые компараторы на логических элементах
В некоторых случаях возникает необходимость контроля напряжения в некотором заданном интервале пороговых значений. Для этих целей обычно применяют два ОУ с логическим элементом (рис. 1). Ранее уже публиковались варианты с использованием одного ОУ [1,2].
Иногда при разработке электронных устройств некоторые логические элементы оказываются незадействованными. Автор предлагает несколько вариантов реализации двухпороговых компараторов на логических элементах КМОП без использования ОУ для тех случаев, когда значения уровней меньше порога переключения микросхем, что исключает непосредственную подачу сигнала на вход логического элемента.
Первый вариант представлен на рис. 2. Значения контролируемых порогов устанавливают резисторами R3, R4. Если входное напряжение больше верхнего порога, то на входе элементов DD1.1 и DD1.2 будет низкий уровень. Поскольку элемент DD1.1 включён как инвертор, а элемент DD1.2 как повторитель, светиться будет только светодиод HL1. Аналогично, если входное напряжение меньше нижнего порога, светиться будет только светодиод HL2. В случае, когда контролируемое напряжение попадёт в интервал между порогами, светодиоды HL1 и HL2 погаснут и загорится светодиод HL3.
Для приведения входного напряжения к логическому уровню использован усилитель на транзисторе, включённом по схеме с общим эмиттером. Резистор R2 необходимо подобрать так, чтобы, во-первых, значение напряжения на нижних по схеме выводах переменных резисторов было не менее 1 В, а на верхних — не более чем напряжение питания минус 1 В. А, во-вторых, это условие должно соблюдаться при любом значении входного напряжения между контролируемыми порогами. Диоды VD1, VD2 и резистор R6 выполняют функцию ИЛИ и могут быть заменены соответствующим логическим элементом. Сопротивление резистора R5 определяется напряжением питания и необходимой яркостью свечения светодиодов. Транзистор VT1 служит для термостабилизации порогов переключения. Транзисторы необходимо подобрать так, чтобы вольт-амперные характеристики эмиттерных переходов были как можно ближе. В случае исключения транзистора VT1 контролируемые пороги напряжения будут существенно меняться при изменении окружающей температуры.
Входное сопротивление устройства определяется резистором R1, минимальный контролируемый уровень соответствует напряжению открывания p-n перехода транзистора VТ2 и приблизительно равен 0,6 В. Интервал допустимого напряжения питания равен соответствующему значению для микросхемы DD1. Разность между порогами может быть не более чем 10 % от напряжения питания. Точность сравнения — 5. 50 мВ и зависит от напряжения питания и коэффициента передачи по току транзистора VT2.
Повышение минимального напряжения питания до 7 В позволяет несколько упростить устройство (рис. 3). Здесь функцию логического ИЛИ выполняют светодиоды HL1 и HL2.
Когда необходимо, чтобы светодиод светил только при нахождении входного уровня в заданном интервале, компаратор можно существенно упростить (рис. 4).
В устройстве, схема которого представлена на рис. 5, устранён недостаток, связанный с ограничением разности между порогами, однако входное сопротивление снижено и определяется параллельным включением резисторов R1 и R2, а подборку коллекторных резисторов R4 и R5 необходимо выполнить для каждого каскада.
В случае, если необходимо контролировать переменное напряжение или переменную составляющую постоянного напряжения, можно воспользоваться компаратором, схема которого показана на рис. 6. По сравнению с рис. 2 добавлены разделительный C1 и фильтрующий C2 конденсаторы, а также защитный диод VD1. Минимальные ёмкости конденсаторов определяются частотой сигнала. На схеме они приведены для частоты 1 кГц. Конденсатор C2 необходимо подобрать так, чтобы уровень пульсаций не приводил к паразитному переключению логических элементов. Входное сопротивление также определяется резистором R1.
Для увеличения входного сопротивления устройство необходимо дополнить буферным каскадом на ОУ (рис. 7) или истоковым повторителем (рис. 8). В первом случае входное сопротивление равно сопротивлению резистора R2 и может быть единицы мегом. Резисторами R1 и R2 необходимо установить среднюю точку, чтобы добиться симметричного ограничения вершин синусоиды. Во втором случае входное сопротивление — сотни мегом. Ёмкость конденсаторов C1-C3 указана для частоты входного сигнала 1 кГц.
Во всех вариантах можно применять биполярные транзисторы и диоды — маломощные кремниевые, конденсаторы — керамические или плёночные, ОУ DA1 можно использовать любой без частотной коррекции с подходящим напряжением питания. Полевой транзистор КП303А можно заменить любым маломощным с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.
Примечание: В качестве биполярных, транзисторов с близкими параметрами и хорошим тепловым контактом желательно применить транзисторные сборки, содержащие два транзистора — КР159НТ1В, ВС847BDW, а также четыре (КС1НТ251) или пять (КР198НТ1Б) транзисторов структуры n-p-n.
Между затвором транзистора VT1 (рис. 
и общим проводом необходимо включить резистор сопротивлением несколько десятков килоом.
1. Двухпороговый компаратор. — Радио, 1985, №7, с. 58.
2. Гричко В. Двухпороговый компаратор. — Радио, 2003, № 4, с. 32.
Автор: А. Староверов, г. Вологда
Мнения читателей
Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:
Зачем нужен цифровой и аналоговый компаратор
Для управления электронными схемами применяются различные устройства, которые помогают настраивать и разветвлять сигналы. Для сравнения двух разных импульсов часто используется компаратор с однополярным питанием.
Обозначение и технические характеристики
Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.
УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:
Фото — УГО компаратора
Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.
Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.
Фото — Компаратор
Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.
Фото — схема компаратора
В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.
Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.
Фото — простой компаратор
Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:
- Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
- Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
- Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.
Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.
Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.
Фото — аналоговый компаратор
Видео: компараторы
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.
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.
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.
- 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;
- 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.;
- 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.
Пороговые устройства на элементах цифровой логики
Пороговые устройства, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше определенного напряжения, если же он больше, то на выходе порогового устройства формируется сигнал противоположного логического уровня.
Кроме регистрации или сигнализации о превышении (или снижении) напряжения контролируемого сигнала, пороговые устройства применяют в аналого-цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.
В составе некоторых серий аналоговых микросхем есть компараторы, пригодные для совместной работы с цифровыми микросхемами, но они не всегда доступны. Многие из них требуют двухполярного источника питания, что усложняет конструкцию. Поэтому в ряде случаев оказывается целесообразным использовать в качестве пороговых устройств элементы, что обеспечивает полное согласование логических уровней без каких-либо специальных мер.
В принципе, сам элемент представляет собой пороговое устройство, в чем легко убедиться, взглянув на рис. 18, на котором показаны передаточные характеристики идеального порогового устройства 1 и элемента КМОП 2. У идеального порогового устройства прямоугольная характеристика, элемент же имеет характеристику с некоторым наклоном, поэтому вблизи порогового напряжения возникает зона неопределенности, которая в итоге и определяет чувствительность порогового устройства. В тех случаях, когда не требуется высокой точности, в качестве порогового устройства можно использовать логический элемент.
Для повышения точности пороговых устройств на основе элементов применяют специальные схемные решения. Схема простого порогового устройства на двух элементах ТТЛ приведена на рис. 19,а. Благодаря наличию положительной обратной связи (ПОС) по постоянному току через резистор R2 передаточная характеристика становится прямоугольной (рис. 19,6). Устройство работает следующим образом. При входном сигнале меньше порогового на выходе будет напряжение низкого уровня. С увеличением входного напряжения до U2 на выходе элемента DD1.2 напряжение также начнет увеличиваться. Это напряжение через резистор R2 поступит на вход элемента DD1.1, что приведет к еще большему увеличению напряжения на выходе элемента DD1.2 и т. д. Таким образом, пороговое устройство скачком переходит в устойчивое состояние с высоким уровнем напряжения на выходе. Дальнейшее увеличение входного напряжения состояние порогового устройства не изменяет.
Рис. 18. Характеристики порогового устройства и элемента КМОП
При уменьшении входного напряжения до U] пороговое устройство скачком переходит в устойчивое состояние с низким уровнем напряжения на выходе. Разность напряжений U2—U1 называют шириной петли гистерезиса, она зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R2. От этих же резисторов зависит и чувствительность. При увеличении сопротивления резистора R2 и уменьшении R1 чувствительность повышается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Однако элементы ТТЛ работают с входными токами, поэтому сопротивление этих резисторов должны лежать в определенных пределах. Так, для микросхем серий К133 и К155 сопротивление резистора R1 может быть в пределах 0,1 . 2 кОм, a R2 — в пределах 2. 10 кОм.
Такое пороговое устройство не имеет на входе разделительного конденсатора, поэтому нижняя граница его частотной характеристики простирается вплоть до постоянного напряжения, а вот верхняя, из-за наличия к цепи сигнала резистора R1, ограничена частотой 8. 10 МГц.
Если необходимо пороговое устройство, реагирующее только на переменную составляющую сигнала, его следует несколько изменить в соответствии с рис. 20. Сопротивления резисторов R2 и R3 должны быть примерно равны, емкость конденсатора С1 определяет нижнюю частотную границу рабочего диапазона.
Большей граничной частотой обладает пороговое устройство на логических расширителях по ИЛИ микросхемы К155ЛД1 (рис. 21), по схемному построению аналогичное триггеру Шмитта на транзисторах. Порог срабатывания зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R3. Ширина петли гистерезиса составляет около 0,1 В, а порог срабатывания можно регулировать от 0,02 до і В. Номинал резистора SR1! должен быть в пределах 0,(1 . 1 кОм, a R2 — 22.
Рис. 19. Пороговое устройство на элементе ТТЛ
Рис. 20. Принципиальная схема порогового устройства на элементе ТТЛ
Рис. 21. Принципиальная схема порогового устройства на микросхеме К155ЛД1
Недостатком такого устройства является несколько повышенное, чем обычно, напряжение низкого логического уровня, за счет падения напряжения на резисторе R3.
Выполнить пороговый элемент можно и на элементах КМОП (рис. 22). Его отличительной особенностью является экономичность, а недостатком — низкая чувствительность. Поскольку элементы КМОП работают без входных токов и обладают невысокой нагрузочной способностью по току, то сопротивления резисторов R1 и R2 обычіно выбирают большими — десятки и сотни килорм. Для повышения чувствительности устройства на его вход следует подавать начальное смешение от источника питания через делитель R3R4.
При .контроле сигнала, уровень которого может изменяться в больших пределах, например музыкального сигнала, возможна ситуация, когда сигнал на очень короткое время превысит пороговое значение. Хотя устройство и сработает, но этого времени может не хватить, например, для включения индикатора. В таком случае будет полезным пороговое устройство с «памятью» (,рис. 23), которое на определенное время сохранит информацию о том, что сигнал превысил пороговое напряжение или был меньше него. От предыдущего устройства оно отличается тем, что в цепь ПОС между выходом элемента DD1.2 и одним из входов элемента DD1.1 включен конденсатор С2. Как только на выходе элемента DD1.2 появляется напряжение высокого уровня, оно через конденсатор С2 поступает на вход элемента DDL1. В таком состоянии устройство остается до тех пор, пока не зарядится этот конденсатор, даже в том случае, если уровень входного сигнала станет ниже порогового значения. Время, в течение которого информация о превышении сигнала хранится в устройстве, определяется постоянной времени цепи R1C2.
В каких же конструкциях можно применить пороговые устройства? В приборах, сигнализирующих об изменении напряжения, сигнала, в реле времени ^таймеры), различных индикаторах, генераторах и многих других. Цифровые микросхемы широко используют для генерирования сигналов с разными параметрами. Благодаря большому коэффициенту усиления н хорошим частотным свойствам на базе их логических элементов удается реализовать генераторы с частотой от долей герца до десятков и сотен мегагерц, к тому же самой различной формы.
Рис. 22. Принципиальная схема порогового устройства на элементе КМОП
Рис. 23. Принципиальная схема порогового устройства с «памятью»
Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.
