Компаратор напряжения: как работает, на операционном усилителе, микросхема

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018 Lou Frenzel Electronic Design Вообще говоря, сделать из операционного усилителя хороший компаратор невозможно. Чтобы получить оптимальные характеристики и не тратить дополнительное время на отладку, лучше всего использовать специализированн

Схема аналогового компаратора на операционном усилителе

Эта схема сравнивает два напряжения, и в зависимости от их состояния переводит сигнал на выходе в высокое или низкое состояние. Можно сказать, что эта система сочетает в себе аналоговую и цифровую электронику.

Она довольно интересна, так как не имеет обратной связи (в базовой версии), это в свою очередь говорит о том, что сопротивление петли бесконечно большое.

Схема аналогового компаратора на операционном усилителе

На положительный вход мы подаем обрабатываемый сигнал, а на отрицательный вход фиксированное (опорное) напряжение, устанавливаемое потенциометром. Так как петля обратной связи отсутствует, то коэффициент усиления бесконечно большой.

49-image.jpg

Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем

Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…

Когда напряжение входного сигнала превысит значение опорного напряжения, на выходе мы получим максимальное напряжение, т. е. напряжение питания операционного усилителя. Когда же напряжение на входе станет ниже опорного, то на выходе будет минусу питания.

operacionnye-usiliteli-chast-3-2

Такая работа схемы имеет один существенный недостаток, а именно: ситуация, когда величина напряжения на обоих входах будет очень близка друг к другу, может стать причиной очень частого изменения напряжения на выходе. Это может привести к пропускам срабатывания реле, включение и отключение нагревателей, что может привести к частым сбоям. Что бы этого избежать используют системы с гистерезисом.

Принцип работы компаратора при сравнении сигналов одной полярности

Схемакомпаратора, поясняющая его работу присравнении сигналов одной полярности,представлена на рис.98.

img-naWZCb.png

Рис. 98. Компаратор однополярных сигналов

img-Yk9h50.png

Рис. 99. Временные диаграммы работы компаратора

Висходном состоянии, когда Uх= 0 состояниевыхода компаратора определяется опорнымнапряжением. Оно здесь положительнойполярности и подано на неинвертирующийвход, поэтому на выходе уровень логическойединицы (U1).

Приувеличении сигнала Uх,в данном случае положительной полярности,величина дифференциального сигнала,определяемая потенциалами точек А иБ: img-RibrX_.pngуменьшается и когда Uхстанет больше или равно Uоппроисходит смена полярностидифференциального сигнала и за счетбольшого Kuкомпаратор резко переключается. Еслинужна противоположная характеристикапреобразования, надо или поменятьполярности Uхи Uоп,если это возможно, если нет, то надопоменять местами точки подключения Uхи Uоп.

Рассмотримхарактеристику преобразования схемыс учетом неидеальности компаратора.

Длянахождения характеристики преобразованиявоспользуемся эквивалентной схемой:

img-0p3ma0.png

Рис.100. Эквивалентная схема компаратораоднополярных сигналов

Эквивалентнаясхема приведена без учета синфазныхсопротивлений.

Используяметод эквивалентных преобразований ипринцип суперпозиции определим потенциалыточек А и Б и исходя из этого найдемхарактеристику преобразования.

img-xdLY8I.png,

(159)

img-WyFurK.png,

(160)

img-4IKphu.png.

(161)

После упрощений:

img-KPtjQV.png.

(162)

Решим последнее уравнение относительно img-1D9eAz.png:

img-VEudg8.png.

(163)

Длякомпенсации ошибок, связанных со входнымитоками компаратора, обычно R1= R2,тогда:

img-6MYVb1.png.

(164)

Второеслагаемое в этом выражении определяетсистематическую ошибку данногокомпаратора от конечной величинывходного сопротивления и коэффициентаусиления.

Если если img-BXxUHA.png,img-L3HrvD.png,то получаем идеальную характеристикупреобразования img-m1PhhT.png.

Ошибку,связанную с температурным дрейфом,наличием входных токов и напряжениясмещения нуля можно определить изследующей эквивалентной схемы.

img-2cWBZ5.png

Рис.101. Эквивалентная схема учета ошибок

Каквидно, по физическому смыслу она полностьюсоответствует эквивалентной схемекомпаратора, сравнивающего сигналыразной полярности. Поэтому конечноевыражение для ошибки будет полностьюсовпадать.

Схема аналогового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе

Диаграмма работы схемы с гистерезисом схожа, с той лишь разницей, что включение и выключение не происходит при одном и том же напряжении.

operacionnye-usiliteli-chast-3-3

Читая такой график, следует обратить внимание на направление стрелок, они показывают направление движения гистерезиса. Следуя слева направо мы видим, что переход к низкому уровню происходит только при напряжении Uph, а перемещаясь справа налево выходное напряжение достигнет высокого уровня только при напряжении Upl.

Такое решение приводит к тому, что в момент, когда напряжения на входах равны, то на выходе не происходит изменение состояния, для этого необходимо чтобы напряжения отличались на значительную величину.

Правда, такое решение вызывает определенную инертность системы, но, безусловно, это безопаснее по сравнению со схемой без гистерезиса. Часто такую работу можно наблюдать в нагревательных устройствах, содержащих термостат (утюги, плиты и т. д.). Ниже представлена принципиальная схема на операционном усилителе, реализующая гистерезис:

Схема аналогового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе

А вот зависимость, которая позволяет рассчитать все напряжения:

Схема аналогового компаратора с гистерезисом - формула расчета

Что такое компаратор напряжения

Принцип функционирования компаратора напряжения (КН) можно сравнить с весами рычажного типа. Когда на одну чашу весов укладывается эталонная гиря, а на другую — измеряемый продукт. В то время, когда вес продукта будет одинаковым с массой контрольного веса, чаша с эталонным весом поднимается выше, после чего процесс взвешивания заканчивается.

В КН вместо гирь функционирует основное напряжение, а продукт заменяет входящий сигнал. Когда образуется логическая «1» на выходе компаратора, начинается процесс сопоставления значений напряжения. Для проверки такого прибора не потребуется выполнения трудозатратной схемы. Достаточно подключить выходной вольтметр, а на вводы — регулируемое напряжение. При смене входных параметров на вольтметре будет видима функциональность КН, параметры настройки задаются схемой.

Список ранее опубликованных глав

      1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
      2. Инвертирующий усилитель
      3. Неинвертирующий усилитель
      4. Инвертирующий сумматор
      5. Дифференциальный усилитель
      6. Интегратор
      7. Дифференциатор
      8. Трансимпедансный усилитель
      9. Однополярная схема измерения тока
      10. Биполярная схема измерения тока
      11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
      12. ШИМ-генератор на ОУ
      13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
      14. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
      15. Активный полосовой фильтр
      16. Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
      17. Выпрямитель на ОУ
      18. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием
      19. Ограничитель скорости изменения напряжения
      20. Схема формирования дифференциального сигнала
      21. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      22. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      23. Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
      24. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

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.

компараторы для компьютераФото — 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.

ОУ компараторФото — 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 повторителя напряжения на операционном усилителе

Повторитель напряжения — это одна из самых простых схем с использованием операционного усилителя. Его главной и единственной особенностью является то, что система не усиливает и не ослабляет сигнал, то есть, проще говоря, k=1. Эта особенность связана с нулевым сопротивлением петли обратной связи.

Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Такого рода системы применяются в основном в качестве буфера, например, для повышения работоспособности и тока нагрузки. Поскольку входной ток почти равен нулю, а выходной ток зависит от типа усилителя, то можно легко разгрузить маломощные источник сигнала, как например, некоторые датчики.

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.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...