- Обозначение и технические характеристики
- Функции выводов LM311
- Параметры прибора
- Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
- Принцип работы и виды интегральных компараторов
- При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
- Обозначения выводов выглядят следующим образом:
- Работа компаратора напряжения
- Характеристики компараторов
- Устройство
- Компаратор с памятью и стробированием
- Простая схема структуры устройства со стробированием.
- Компаратор LM311 на практике
- Принцип работы
- Компараторы массы: понятие
- Несколько тонкостей работы с компараторами.
- Компаратор на операционном усилителе
- Простые конструкции
- Фотореле контроля
- Зарядный блок
- Примеры и использование устройств уточнения веса
- В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?
- Где применяется компаратор напряжения
- Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором
- Проектирование гистерезиса компаратора
- Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393
- Как обозначается компаратор на схемах
- Пример практического применения компаратора
- Назначение
- Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания
- Входное напряжение смещения компаратора
Обозначение и технические характеристики
Компаратор — это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и тока, выдает выходной сигнал, указывающий, какое из них больше, при вычислении отношения. Он имеет две аналоговые положительные и отрицательные входные клеммы и двоичный цифровой выход, как и АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.
Отображение компаратора UGO выглядит следующим образом:
Фото — компаратор УГО
Изначально использовался только встроенный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), известный как высокоскоростной. Для этого требуется определенное дифференциальное напряжение в определенном диапазоне, которое значительно ниже сетевого напряжения. Эти устройства не принимают другие внешние сигналы, выходящие за пределы диапазона сетевого напряжения.
Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/Atmega 2313) с транзисторным входом. Он имеет потенциал входного сигнала в пределах менее 0,3 вольта и не поднимается выше. Устройство также может быть сверхбыстрого типа (стереокомпаратор), где входной сигнал меньше указанного диапазона, например 0,2 Вольта. Как правило, полезный диапазон ограничен только определенным входным напряжением.
Фото — Компаратор
Помимо простого устройства, существует еще видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это устройство имеет очень тонкий баланс между разницей между входным сигналом и высоким импедансом сигнала. Из-за этой характеристики операционный компаратор используется в низковольтных цепях с низкой проводимостью.
Фото — схема компаратора
Теоретически частотный операционный усилитель работает в конфигурации с разомкнутым контуром (без отрицательной обратной связи) и может использоваться в качестве низкоэффективного компаратора. Но при этом неинвертирующий вход (+V) находится под более высоким напряжением, чем инвертирующий (V-). Высокий коэффициент усиления операционного усилителя вызывает низкое выходное напряжение на входе устройства.
Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне мощности, после чего он все еще может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничено только напряжением питания.
Принципиальная схема операционного усилителя, работающего в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с использованием балансного раздельного источника питания (питание от ±VS). Многие устройства, работающие с компаратором, также имеют возможность захвата полученных данных с помощью видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые цепи и элементы с низкой проводимостью.
Фото — простой компаратор
Но у усилителя-компаратора есть несколько существенных недостатков:
- Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом операционная система имеет более длительный режим восстановления;
- Почти все операционные усилители имеют внутренний компенсационный конденсатор, который ограничивает скорость нарастания высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
- Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.
Из-за этих недостатков компаратор для управления различными цепями в большинстве случаев используется без усилителя, за исключением генератора.
Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением и легко подключается к цифровой логике. Поэтому его часто используют в различных тепловых устройствах (термостат, термовыключатель). Он также используется для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и другие схемы.
Фото — аналоговый компаратор
Функции выводов LM311
Пришло время узнать о функциях выводов. Обычно в такой ситуации смотрим информацию в каталоге — вводим в поисковике Google «LM311 datasheet» и читаем найденный PDF файл, подготовленный производителем. Но в этот раз для простоты мы собрали здесь самую важную информацию.
Символическое изображение внутренней части схемы LM311
Как показано на рисунке выше, функции отдельных выходов следующие:
- эмиттер выходного транзистора (обычно присоединяется к земле цепи),
- неинвертирующий вход (+),
- инвертирующий вход (-),
- отрицательный полюс источника питания (земля цепи),
- остаток средств,
- баланс/блокировка,
- коллектор выходного транзистора,
- положительный полюс источника питания.
Правильное подключение контактов 5 и 6 позволяет вручную отрегулировать смещение напряжения и снизить его практически до нуля. Это сложная тема, но теперь вам не о чем беспокоиться. Кроме того, пин 6 позволяет отключать цепь, но сейчас эта функция нам не нужна.
Символ компаратора и транзистора «внутри схемы» на рисунке служит только для удобства, чтобы помочь вам быстро понять, что представляет собой схема и как она работает. На самом деле внутренняя часть этой схемы намного сложнее. |
Выход LM311 имеет тип OC (открытый коллектор), что означает наличие в схеме транзистора, который в зависимости от выхода схемы либо закрывается, либо насыщается. Коллектор этого транзистора подключен к выводу 7 и, следовательно, является выходом нашего компаратора. Более подробную информацию об этом вы найдете в конце этой статьи. Теперь пришло время начать практиковать!
Параметры прибора
По сути, прибор можно считать простейшим вольтметром. КН, как цифровая сущность, обладает рядом эксплуатационных качеств, разделяемых на 2 варианта: статический и динамический.
Параметры прибора
Первый обладает следующими свойствами:
- Максимальная чувствительность по отношению к пороговым величинам сигнала, которую КН устанавливает на входе и заменяет выходной потенциал устройства на логический «0» или «1».
- Величина смещения устанавливается единичным передаточным коэффициентом по отношению к установленному эталонному положению.
- Входной ток — это предел, который может протекать при использовании любого выхода, не вызывая повреждения устройства.
- Выходной ток – величина тока при переходе счетчика в положение «1».
- Текущая разница – это результат, определяемый вычитанием текущих данных.
- Гистерезис – это разница уровней входного сигнала, приводящая к изменению стабильного состояния выхода.
- Коэффициент ослабления сигнала рассчитывается по отношению к дифференциальному сигналу, что приводит к изменению варианта работы счетчика.
- Самая низкая и самая высокая номинальная температура – это интервал, в котором технологические характеристики устройства не изменяются.
Гистерезис компаратора
Примечание! Все основные параметры КН показаны в виде параметров переходного типа. Это диаграмма, где ось x представляет время, а ось y представляет напряжение в вольтах.
Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
Компараторы — название происходит от принципа действия — сравнения. Так работают устройства, производящие измерения путем сравнения с эталонной функцией: весы с такими же плечами, электрические потенциометры.
По своей основной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы механической конструкции используются для проверки окончательных измерений длины.
Компараторы для таких целей впервые были использованы во Франции в 1792 году, сведения об этом есть в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время введения французской метрической системы.
Точность таких измерений компаратора с рычагами достигала 0,0005 мм. Это большая точность для того времени.
Нашей задачей является оценка компараторов, которые используются в современности в электротехнике по напряжению.
Принцип работы и виды интегральных компараторов
Компаратор с двумя входами и одним выходом. Также один из входов является прямым, а другой – обратным. На эти входы поступает напряжение, которое устройство сравнивает.
В зависимости от этого сравнения устройство устанавливает на своем выходе либо логический ноль, когда напряжение на инвертированном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном.
На схеме показано стандартное обозначение компаратора. Сам компаратор достаточно универсален и широко применяется в радиолюбительской деятельности. На базе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.
При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
- Диапазон напряжения питания.
- Диапазон входного напряжения.
- Максимальный ток на выходе компаратора.
- Тип выхода.
Не все компараторы могут установить положительный эффект на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.
Эта схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторах по 10 кОм, которые образуют 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 соединен с землей. Этот транзистор либо соединяет выход с землей, либо отключает его, поэтому положительного влияния на выход быть не может. Поэтому вывод компаратора подводим через резистор 1 кОм к плюсу питания.
Важный
Когда напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем входе, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает его к плюсу питания, в результате чего загорается светодиод. Когда напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем входе, транзистор открывается и подтягивает выход компаратора к земле, в результате чего светодиод перестает гореть.
Если напряжение на двух входах примерно одинаковое, то выход компаратора логически переходит из одного состояния в другое и обратно под действием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собраны схемы с гистерезисом.
Обозначения выводов выглядят следующим образом:
Первый вывод — выход первого компаратора, второй вывод — инвертирующий вход первого компаратора, третий — неинвертирующий вход первого компаратора, четвертый — земля, восьмой вывод — напряжение питания. Второй компаратор не используется.
Выход подключается желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключается к делителю напряжения с постоянными резисторами, белый провод подключается к средней ножке переменного резистора, представляющего собой напряжение разделитель.
При измерении напряжения питания на делителе напряжения с постоянными резисторами номиналом 10 кОм. Когда схема включена, загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения в диапазоне до 20 В, подключаем его ко второй ноге микросхемы. Показания напряжения 2,4В.
Это постоянные резисторы, сам делитель напряжения не изменит. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, переключаемся на него. Показание 0,87 В. Напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем. Поэтому светодиод выключен.
Когда напряжение превышает 2,4 В, светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотическое переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.
Компараторы используются в интегральном исполнении в качестве компонентов микросхем. Интегрированные таймеры имеют два входных компаратора. Это определяет функцию устройства. Микроконтроллеры изготавливаются со встроенными компараторами. Вне зависимости от конструкции и схемы принцип работы устройства не отличается.
Новые компараторы похожи на операционные усилители, имеют высокий коэффициент усиления, отсутствие обратной связи, однотипные входы.
Работа компаратора напряжения
В различных описаниях работы агрегата приведены примеры сравнения с весами весов. На одной чаше весов вес — эталон, на другой — продукт. Когда вес товара становится равным массе весов или больше, весы поднимаются, и взвешивание заканчивается.
Аналогичный процесс происходит при работе компаратора напряжения. Вместо весов опорное напряжение, вместо произведения входной сигнал. При появлении логического устройства на выходе устройства сравниваются напряжения. Это называется «пороговой чувствительностью» компаратора.
Для тестирования устройства не требуется никаких сложных схем. На выходе устройства необходимо включить вольтметр, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.
Характеристики компараторов
При использовании сущностей необходимо учитывать свойства, которые делятся на динамические и статические. Статические параметры для устойчивого состояния. Это порог чувствительности. Это наименьшая разница между входными сигналами. Когда на выходе появляется логический сигнал.
Некоторые компараторы снабжены выводами смещения для смещения передаточной характеристики от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, т.е разница входных напряжений. Это связано с положительной обратной связью, предназначенной для устранения «дребезга» выходного сигнала при переключении компаратора.
Устройство
Схема устройства довольно сложная, большая и не очень понятная. Рассмотрим простую функциональную схему согласно рисунку.
Показан дифференциальный входной каскад, схема смещения уровня, выходная логика. Дифференциальный каскад обеспечивает основное усиление разностного сигнала. Блок смещения реализует оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбирать, с каким типом логики работать. Эта регулировка производится подстроечным резистором на «балансных» выводах».
Компаратор с памятью и стробированием
Современные инновационные компараторы оснащены стробоскопическим входом. Это означает, что сравнение входных сигналов выполняется только при подаче импульса. Это позволяет сравнивать входные сигналы в нужный момент.
Простая схема структуры устройства со стробированием.
Устройства по рисунку с парафазным выходом, в качестве триггера — прямой верхний выход, нижний (круг) — инверсный. C — вход стробоскопа. На рисунке а) стробирующие сигналы на вход осуществляются по высокому уровню входа С. На обозначении входа С знак инверсии изображен маленьким кружком.
Рисунок б) Вход строба через черточку /. Это означает, что стробирование происходит по нарастающему импульсу. Стробирующий сигнал является разрешением для сравнения. Результат сравнения выводится на выход под действием стробирующего импульса. Некоторые устройства имеют память (с триггером). Они сохраняют результат для следующего импульса.
Время стробирования должно быть достаточно большим, чтобы входной сигнал прошел через дифференциальный каскад до того, как сработает ячейка памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помехи меняют состояние устройства во время импульса.
Читайте также: Описание классов прочности по DIN и ГОСТ
Компаратор LM311 на практике
Пришло время запустить компаратор и проверить работу на практике. Мы построим схему, которая позволит нам точно наблюдать, что происходит, когда изменяется разница напряжений между двумя входами компаратора. Для выполнения упражнения вам потребуются следующие предметы:
- 1 х LM311,
- Сопротивление 4 × 10 кОм ,
- Сопротивление 1×330 Ом ,
- Потенциометр 1 × 5 кОм,
- Конденсатор 1×100 нФ,
- 1 × конденсатор 220 мкФ,
- 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
- Батарея 4 × АА,
- 1 × корзина для 4 батареек АА,
- 1 × поднос для хлеба,
- Комплект соединительных кабелей.
Эти элементы должны быть соединены согласно приведенной ниже схеме. Если вы все поняли, то можете попробовать собрать эту схему на плате самостоятельно. Только помните правильную полярность светодиода и электролитического конденсатора. Также обратите внимание на нумерацию выводов (ножек) LM311. Если вы не хотите рисковать или не знаете, как монтировать такую схему на плату, следуйте приведенным ниже инструкциям, в которых пошагово описан весь процесс сборки.
Обратите внимание на углубление в корпусе компаратора — сравните элемент с изображением выше, чтобы найти правильные выводы схемы. |
Схема первой схемы с компаратором LM311
Шаг 1. Начните с размещения компаратора в центре макетной платы — углубление в центре платы должно пройти под схему. Если сомневаетесь, вспомните, как устроена макетная плата — иное расположение схемы могло привести к замыканию контактов.
Примеры неправильного и правильного размещения интегральных схем на макетной плате
При размещении схемы на плате обратите внимание на расположение метки (или точки) на упаковке, позволяющей найти первый вывод схемы. |
Шаг 2. Добавьте два конденсатора фильтра источника питания (C1 и C2 на схеме).
![]() |
![]() |
Шаг 1: Поместите на противень для хлеба | Шаг 2: Конденсаторы фильтра питания |
Шаг 3: берем два резистора по 10 кОм (в цепи R3 и R4), делаем делитель напряжения, центр которого совмещаем с инвертирующим входом компаратора (вывод 3).
Шаг 4. Подключить питание к восьмому выводу (выходу) компаратора. Кроме того, подключите к плате светодиод с сопротивлением (LED1 и R5 на схеме).
![]() |
![]() |
Шаг 3: делители напряжения | Шаг 4: Ток ИС, светодиод и резистор |
Шаг 5. С помощью следующих резисторов на 10 кОм (R1 и R2 на схеме) и потенциометра на 5 кОм (Р1) создаем делитель напряжения, который подключаем к неинвертирующему входу компаратора LM311.
Шаг 6. Добавьте недостающие соединения, т.е подключите контакты 1 и 4 к заземлению цепи. Вам также необходимо подключить положительные провода на макетной плате для передачи напряжения с одной стороны платы на другую.
![]() |
![]() |
Шаг 5: Другие натяжные детали | Шаг 6: последние штрихи |
На практике схема может выглядеть так, как показано на рисунке ниже. Намотка проводов только для того, чтобы сделать сборку более понятной. На практике вся схема может выглядеть более хаотично — это вполне нормальный вид для монтажа на макетной плате.
![]() |
![]() |
Соединение с помощью спиральных кабелей | Подключение без обмоточных проводов |
Принцип работы
Чтобы продемонстрировать, как работает быстрый компаратор с гистерезисом, нам нужно взять схему с двумя выходами.
Фото — схема компаратора
Схема переключателя, с помощью которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Подавая аналоговый сигнал на вход +, называемый «неинвертированным», и на выход, называемый «инвертированным», устройство использует два одинаковых сигнала противоположной полярности.
В этом случае, если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, на выходе будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, который должен быть включен. Но если на входе отрицательный уровень, то сигнал будет равен «0», за счет этого коллектор закрыт.
Почти всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы логических схем, работает по уровню определенного источника питания. Это своего рода переходный элемент между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип работы позволяет не задавать безопасность или неопределенность выходных сигналов, так как компаратор всегда имеет некоторый захват петли гистерезиса (независимо от уровня) или конечного коэффициента усиления.
Компараторы массы: понятие
Компаратор масс — устройство, предназначенное для уточнения разницы значений массы гирь при контроле эталонов массы и веса, а также для точного взвешивания. Самые точные компараторы массы способны взвесить любой образец и сравнить его с аналогичным. Это происходит на атомном уровне. Необходимость в таких приборах возникает из-за несовершенства эталонных образцов измерений веса и объема жидкости.
Несколько тонкостей работы с компараторами.
Этот материал написан для людей, которые уже пробовали работать с компараторами и хотят углубиться в эту тему:
1. Чувствительность компаратора зависит от величины минимального напряжения между входами. Если вы пытаетесь произвести очень точные замеры, например вычесть 0,001*С из контура отклика на охлаждение, то будьте готовы, что у вас не получится это сделать из-за ограничений микросхемы
2. При переключении компаратор некоторое время смещается. Это свойство проявляется в основном при обнаружении радиочастотных сигналов. Если у вас рабочие частоты до 100кГц, на всех современных ОУ можно наплевать на этот параметр. В противном случае посмотрите на значение скорости нарастания сигнала. Обычно для современных ОУ это значение составляет единицы/десятки вольт в микросекунду. В вашем случае он рассчитывается по формуле:
Если это значение оказалось больше параметра ОУ, то менять ОУ. На экране осциллографа у вас будет сильный рывок от прямоугольного сигнала на выходе ОУ до треугольного сигнала.
3. В некоторых случаях полезно реализовать гистерезис (задержку) на положительной обратной связи, но более подробно мы это рассмотрим в одном из следующих уроков мастер-класса.
Наконец, вот вам приятный подарок, раз уж вы дочитали до конца. Вот видео автора этой статьи о компараторах, из которого можно выделить много интересного и полезного.
Компаратор на операционном усилителе
Компараторы имеют много общего с операционными усилителями:
- прирост;
- входное сопротивление;
- значение входных токов;
- состояние насыщения.
Простые конструкции
На практике компараторы напряжения нашли широкое применение в электронных схемах различного направления. В радиомагазинах можно найти довольно большое количество различных микросхем. Но наиболее используемыми микросхемами среди радиолюбителей являются:
- ЛМ311;
- К554КА3;
- ЛМ339;
- МАКС934.
Они есть в продаже и их стоимость более чем приемлема. Такие компараторы имеют широкий диапазон входных напряжений и могут работать с однополярными и двухполярными источниками питания.
К выходу устройства можно подключить любую нагрузку с током потребления, обычно не превышающим 50 мА. Это может быть реле, резистор, светодиод, оптопара или любой актуатор, но с токоограничивающими элементами. Также возможно подключение индуктивной нагрузки, но в этом случае она обычно шунтируется диодами. Для работы устройства используются блоки питания с выходным напряжением 5–36 вольт.
Фотореле контроля
Такое реле монтируется методом поверхностного монтажа. Его можно использовать в системе безопасности или для управления уровнями освещения. Работа схемы заключается в следующем. Входное напряжение подается на деталь, состоящую из R1 и фотодиода VD3. Их общая точка соединения через ограничительные диоды VD1 и VD2 подключена к входам компаратора DA1. В результате на входе прибора отсутствует разность потенциалов, а значит, чувствительность прибора максимальна.
Чтобы выходной сигнал инвертировался, нужно создать на входе разницу всего в один милливольт. В связи с тем, что конденсатор С1 и резистор R1 подключены к инверсному входу, напряжение на нем будет возрастать с небольшой задержкой, равной времени заряда конденсатора.
Но этого времени достаточно, чтобы на выходе появилась логическая единица, которая перестроит режим работы реле, подключенного в качестве нагрузки. Как только освещение снова изменится, ситуация повторится. Направляя фотореле в то или иное место, в случае изменения освещения таким образом будет возникать разность напряжений на входах компаратора.
Следовательно, изменится и работа реле, к которому можно подключать разные типы нагрузок.
Зарядный блок
Готовый блок питания из исправных элементов сразу начинает работать. Настройки сводятся только к установке номинального зарядного тока и порогов срабатывания компаратора. Когда устройство включено, загорается зеленый светодиод, указывая на наличие питания. Во время зарядки всегда должен гореть красный светодиод, который гаснет, как только батарея заряжается.
Подаваемое напряжение от блока питания регулируется R2, а зарядный ток задается R4. Настройка производится с помощью резистора на 150 Ом, подключенного параллельно контактам держателя батареи. Сам аккумулятор в комплект не входит. Транзистор VT1 установлен на радиаторе; вместо него можно использовать аналог КТ814Б.
Такую схему необходимо собрать на печатной плате, но в итоге размер не должен превышать 50 х 50 мм.
Можно собрать более простую схему по принципу работы стабилизатора тока.
Опорное напряжение подается на вход LM358 через стабилитрон. Второй вход микросхемы подключается после датчика тока. Если к выходу компаратора подключить разряженную батарею, то ток в цепи начнет возрастать, и часть напряжения будет падать на низкоомном резисторе.
Между двумя входами микросхемы будет разница напряжений. Схема начнет компенсировать эту разницу увеличением выходного тока. В процессе заряда аккумулятора входное напряжение начнет падать, что приведет к уменьшению тока в цепи. Как только батарея зарядится, транзистор VT1 закроется и нагрузка отключится. Зарядный ток ограничивается изменением сопротивления R1.
Примеры и использование устройств уточнения веса
Российским эталоном массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125-летней давности.
За последние несколько лет эталон потерял около 40 микрограммов своего первоначального веса в виде оксидов. Следовательно, в настоящее время трудно применить его для нужд промышленности при высокой точности измерения массы.
Разработан новый эталон массы. Ученые обозначили таковой сферу из кремния с четным числом атомов. Сейчас это самая точная версия килограммового эталона. Его свойства приняты международным сообществом к использованию.
Созданный образец необходимо многократно копировать. Поскольку современные направления развития науки, особенно фармакологии, биотехнологии, компьютерной электроники, нанотехнологий требуют высокой точности измерений. Для таких областей науки и техники решающее значение имеют сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить компаратор атомных масс — прибор, способный определять разницу в нескольких частицах.
Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение получается с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Изменения вызваны несоответствием числа атомов образца. Поэтому сейчас это самый точный измерительный прибор.
Существуют также менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже ядерных, но для всех них есть работа в промышленности, торговле, стандартизации.
В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?
Основные различия между ними заключаются в следующем:
Несмотря на внешнее сходство, эти две схемы различны и предназначены для разных приложений.
Так можно ли использовать операционный усилитель в качестве компаратора? 1 Возможно. Многие инженеры используют Часто так делают, когда нужен только один компаратор, а в корпусе счетверённого ОУ остаётся «свободный» усилитель. Фазовая коррекция, необходимая для стабильной работы ОУ, означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если нет особых требований к быстродействию, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он неуместен.
Поскольку полусумматор имеет только два входа, его можно использовать только для суммирования младших разрядов.
Поведение блока, реализующего таблицу истинности (рис. 3.48), описывается следующими уравнениями
Очевидно, что по отношению к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ», то есть S = A + B.
Поскольку полусумматор имеет только два входа, его можно использовать только для суммирования младших разрядов.
При сложении двух многозначных чисел для каждой цифры (кроме младшей значащей) необходимо использовать устройство, имеющее дополнительный вход переноса. Такое устройство (рис. 3.50) называется полным сумматором и может быть представлено в виде комбинации двух полусумматоров (Вывод — дополнительный вход передачи).
При необходимости изменения выходного напряжения компаратора в диапазоне от U+пит до U-пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и инвертируются входы.
Где применяется компаратор напряжения
Часто КН используется в градиентном реле — схеме, реагирующей на скорость изменения сигнала, например фотореле. Такое устройство можно использовать в ситуациях, когда освещение меняется довольно быстро. Например, в охранных установках или датчиках контроля выпускаемой продукции на конвейерных лентах, где устройство будет реагировать на прерывание светового потока.
Еще одна распространенная схема — датчик для измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала на «электронный». Оба измерителя преобразуют амплитуду входящего сигнала в ширину выходного импульса. Такое преобразование используется довольно часто в различных цифровых схемах. В основном в измерительных приборах, источниках питания импульсного типа, электронных усилителях.
Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором
Обычно выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.
Выход с открытым коллектором имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе нет положительного сигнала и между этим выходом и источником питания должна быть подключена нагрузка.
В некоторых схемах к выходу компаратора подключается нагрузочный (подтягивающий) резистор для подачи сигнала высокого уровня на вход следующего элемента схемы.
Операционные усилители (O-amps), такие как LM324, LM358 и LM741, не часто используются в качестве компараторов напряжения в электронных схемах из-за их биполярных выходов. Однако эти операционные усилители можно использовать в качестве компараторов напряжения, подключив диод или транзистор к выходу операционного усилителя, чтобы создать выход с открытым коллектором.
Ниже приведена логика компаратора с выходом с открытым коллектором:
Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) ниже, чем напряжение на входе (-). И, следовательно, ток через открытый коллектор не будет течь, когда напряжение на входе (+) больше, чем напряжение на входе (-).
Проектирование гистерезиса компаратора
Уравнения (1) e (2) Они могут помочь определить, хочет ли сопротивление создать пороговое напряжение гистерезиса VH и VL. Единственное значение (RX) должно быть выбрано произвольно.
На этом рисунке для RX установлено значение 47K, чтобы уменьшить потребляемый ток. Резус Рассчитал 270,25К, поэтому значение по умолчанию 270К было реализовано сразу.
Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393
Как обозначается компаратор на схемах
На схемах компаратора и в электрических схемах счетчика графическое обозначение в виде треугольника с тремя выводами. Они обозначены символами «+» и «-», которые соответствуют неинвертирующим/инвертирующим индикаторам, а также представлен символ маркировки выхода «Uвых».
Вам это будет интересно Функции конвектора для отопления
Обозначение диаграмм
При (+) на входе микросхемы степень сигнала становится больше, чем конкретно на инверсном (-), на выходе будет формироваться стабильное значение. Исходя из схемной базы компаратора, это число имеет возможность выбора логического «0» или «1». В цифровых электронных устройствах «12» — это сигнал, уровень напряжения которого равен 5В, а «0» — его отсутствие. Другими словами, начальное положение измерителя устанавливается на высокое или низкое значение. Хотя обычно на практике за логический «0» принимается разность потенциалов до 2,7 В.
Пример практического применения компаратора
На схеме показан датчик освещенности.
Опорное напряжение устанавливается резисторами RV1 и R2. В этом случае RV1 выступает в роли регулятора чувствительности структуры. Индикация реализована на светодиоде D1. Датчиком является элемент LDR1, изменяющий омическое сопротивление в зависимости от освещения. Сам компаратор представлен операционным усилителем LM324. Это простое устройство показывает, как компаратор работает на практике.
Назначение
Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев это устройство используется в простых компьютерных схемах, где необходимо сравнивать сигналы входного напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик напряжения сети AVR, таймер (компаратор типа lm 358, микроконтроллер и т.д.) также используется различными ИС для управления входными импульсами, что обеспечивает связь между источником сигнала и центром его назначения.
Фото — компараторы для компьютера
Самый популярный пример — триггерный компаратор Shimmer. Он работает в многоканальном режиме, поэтому может сравнивать большое количество сигналов. В частности, этот триггер используется для восстановления цифрового сигнала, искажающего связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния до источника питания.
Это аналог стандартного компаратора, только с более расширенным функционалом, обеспечивающим измерение нескольких входящих сигналов.
Фото — компаратор на операционных усилителях
Также есть компаратор шероховатости. Это прибор, помогающий визуально определить состояние уже обработанной поверхности. Применение этого прибора обосновано необходимостью определения допусков ранее обработанных поверхностей.
Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания
Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311 могут работать с одним или двумя источниками питания с максимальным напряжением до 32 вольт.
При работе с двухполярным питанием режим сравнения напряжений остается тем 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 либо к минусу однополярного источника питания, либо к общему выводу двухполярного.
При работе с двухполярным блоком питания входное напряжение может быть выше или ниже нормального провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора можно соединить с землей, создав тем самым детектор «перехода через нуль».
Один из способов понять, как работает компаратор, — посмотреть на базовую конфигурацию операционного усилителя, показанную на рис. 1а. Усилитель имеет очень большое усиление без обратной связи (AOL >> 1000). Он усиливает разницу между двумя входами V1 и V2. Выходное напряжение
Входное напряжение смещения компаратора
Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может страдать от влияния такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт, и им можно пренебречь в большинстве схем.
В основном, проблема входного напряжения смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения является то, что выходной транзистор не полностью включается или выключается, когда входное напряжение близко к опорному напряжению.
Следующая диаграмма иллюстрирует влияние смещения входного напряжения из-за медленного изменения входного напряжения. Этот эффект усиливается по мере увеличения выходного тока транзистора. Поэтому для уменьшения этого эффекта необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.
Влияние входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к изменению опорного напряжения, когда выход компаратора становится высоким или низким.