Применение компараторов: Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Компараторы и их применение, градиентные реле (8 схем)

Компаратор представляет собой устройство сравнения сигналов, своеобразные электрические весы. Если на один из входов компаратора (чашу весов) подать эталонный сигнал (положить гирьку), а на другой — подать контролируемый сигнал (положить груз неизвестной массы), на выходе устройства сигнал будет иметь значение 0 (или ипит) до тех пор, пока один сигнал «не перевесит» другой. После этого компаратор переключится: выходной сигнал сменит значение до 11пит (или 0, соответственно). На основе компараторов можно собрать множество релейных и иных схем, малая часть которых будет представлена ниже.

К градиентным реле (рис. 19.1 — 19.6) можно отнести устройства, реагирующие на скорость изменения контролируемого параметра. Такие реле используют для контроля меняющихся во времени величин [Рл 10/00-28].

Рис. 19.1

В исходном состоянии напряжения на входах компаратора равны. Градиентное реле находится в режиме ожидания сигнала.

При изменении напряжения на делителе R1 — датчик на одном из входов компаратора напряжение изменяется мгновенно, на другом — изменение напряжения во времени происходит с задержкой, обусловленной наличием RC-цепочки (рис. 19.2 — 19.4). Для срабатывания компаратора достаточно, чтобы разница напряжений между его входами составила несколько мВ. Если считать, что заряд (или разряд) конденсатора происходит по линейному закону, то при изменении сопротивления датчика градиентное реле сработает в момент времени t1 (рис. 19.1). При дальнейшей стабилизации сопротивления датчика или возвращения его к исходному уровню на входах компаратора вновь устанавливается состояние равновесия, градиентное реле выключается.

Ниже приведены практические примеры применения градиентных реле.

Градиентное фотореле. Индикатор изменения освещенности (рис. 19.2) предназначен для использования в телевизионных охранных системах и не требует вмешательства в их работу. Чувствительным элементом индикатора является фотодиод VD3.

Фотодиод направляют на участок телевизионного экрана, наиболее критичный к условиям охраны.

Рис. 19.2

При неизменной освещенности на телевизионном экране рабочая точка компаратора DA1 (К554САЗ) устанавливается автоматически: напряжение с делителя R1, VD3 через диоды VD1 и VD2 подается на входы компаратора DA1. В силу равенства этих напряжений чувствительность компаратора близка к предельной, и даже небольшая разность напряжений при изменении сопротивления фотодатчика (VD3) вызовет срабатывание исполнительного устройства (светодиод HL1, реле К1, управляющее системой тревожной сигнализации).

Если в поле контролируемого участка изображения появляется какой-либо объект, изменяется освещенность экрана, и, соответственно, ток через фотодиод. Это приведет к изменению напряжения на неинвертирующем входе (вывод 3) компаратора DA1. На инвертирующем же входе микросхемы (вывод 4) изменение напряжения во времени происходит с задержкой, обусловленной RC-цепочкой (R3C1). Схема может быть настроена для работы на понижение или повышение освещенности экрана подключением конденсатора С1 к тому или иному входу компаратора.

Градиентное фотореле можно использовать и в оптических охранных системах, а также для подсчета изделий на конвейере. При пересечении объектом светового луча устройство сработает.

Градиентное термореле (рис. 19.3) можно применять для пожарной, охранной сигнализации, реагирующей на изменение температуры при перемещении нагретого воздуха, человека или животного.

Рис. 19.3

Начальное сопротивление термодатчика, например, терморезистора типа ММТ-6, должно быть соизмеримо с сопротивлением R1 (верхним плечом делителя напряжения). Подключение нагрузки к компаратору DA1 (рис. 19.3) осуществляется в эмиттер-ную цепь выходного транзистора микросхемы, который управляет тиристором VS1 (КУ104Г). При срабатывании устройства тиристор отпирается, самоблокируется и включает нагрузку, например, реле К1. Нажатием на кнопку SB1 «Сброс» можно разблокировать тиристор и обесточить нагрузку.

Устройство реагирует на перемещение тела человека вблизи датчика или на дыхание на расстоянии до 50 см.

Градиентный индикатор электрического поля (рис. 19.4). При отсутствии постоянного электрического поля сопротивление датчика (полевого транзистора) минимально; напряжение на входах компаратора близко к напряжению питания. При появлении источника постоянного электрического поля сопротивление сток — исток полевого транзистора возрастает, напряжение на средней точке входного делителя уменьшается, и градиентное реле срабатывает.

Индикатор имеет высокую чувствительность: без антенны (антенна — вывод затвора полевого транзистора) реагирует на перемещение наэлектризованного предмета на расстоянии до 1,5 м.

Рис. 19.4

 

Рис. 19.5

Сенсорно-емкостное реле градиентного типа (рис. 19.5). Реле включается при касании сенсорного контакта (сенсорное реле) или срабатывает при приближении к антенне устройства (емкостное реле). Принцип действия устройств заключается в наведении переменного электрического тока частотой 50 Гц через тело человека на вход схемы.

В емкостном реле входная цепь представляет собой одну из обкладок развернутого в пространстве конденсатора, что обусловливает чувствительность к появлению в поле этого конденсатора токопроводящих объектов (человека, животных). Сенсорную площадку или антенну можно подключить к входу схемы через резистор (1…10 МОм) либо конденсатор (1 …50 пФ).

Сейсмореле и реле ударного срабатывания (рис. 19.6 цепь с и цепь Ь). Для реализации сейсмореле, реагирующего на микровибрации, к входу устройства (рис. 19.6 цепь с) через разделительный конденсатор подключают сейсмодатчик, например, СВ-10Ц, либо просто электродинамический капсюль телефона. Датчиком реле ударного срабатывания может служить пьезоке-рамический излучатель типа 3/7-3, ЗП-19 (рис. 19.6 цепь Ь). Устройство реагирует на легкое постукивание по столу, на котором расположены датчики. В качестве датчика можно использовать и пьезоэлектрический звукосниматель электропроигрывающего устройства. Для повышения чувствительности устройства кремниевые диоды следует заменить на германиевые.

Акустическое градиентное реле. К входу устройства (рис. 19.6 цепь с, рис. 19.7) подключают цепочку из конденсатора емкостью 0,1 мкФ и динамического микрофона, роль которого может выполнять телефонный капсюль. Устройство чувствительно к БЧ-составляющей звуковых сигналов.

рис. 19.6

Магниточувствительное реле градиентного типа может быть выполнено по схеме на рис. 19.3. В качестве датчика используют магниторезистор СМ-1. Датчиком переменного магнитного поля может служить и телефонный капсюль без мембраны или многовитковая катушка с железным сердечником. Датчик подключают к входу устройства (вместо терморезистора) через конденсатор емкостью свыше 10 мкФ. Реле сработает, если датчик поднести к источнику переменного магнитного поля (катушке электромагнита).

Рис. 19.7

Детектор ВЧ-сигналов — может быть выполнен по схеме (рис. 19.6 цепь а) с использованием диодов Д9Ж и подбором резистивных элементов R1 — R3 для установки рабочей точки на ВАХ диодов. Выбор рабочей точки на наиболее крутом участке этой характеристики обеспечит повышенную чувствительность детектора к 6Ч-сигналам: малое изменение напряжения на диоде вызовет заметное изменение тока через него. Чем больше начальный ток через диоды, тем выше чувствительность устройства. В то же время заметно возрастет потребляемый устройством ток.

ВЧ-сигнал подают на диоды через конденсатор емкостью 10… 100 пФ. Светодиод HL1 в цепи нагрузки начинает светиться при уровне входного сигнала 60… 100 мВ (частота свыше 200 кГц). В /-/Ч-диапазоне (несколько кГц) переходную емкость следует увеличить.

При использовании соответствующих датчиков на основе градиентных реле могут быть собраны реле влажности, изменения атмосферного давления и др. устройства.

Преобразовать, например, изменение атмосферного давления в изменение электрического сопротивления можно с использованием запаянного сильфона. Это металлическая тонкостенная гофрированная камера, сопряженная с движком потенциометра. Изменение атмосферного давления вызовет изменение объема сильфона и изменение его размеров с последующим перемещением движка потенциометра. В более простых по механике конструкциях на сильфон может быть наклеен тензорезистор или закреплен вывод специального полупроводникового прибора (ге-дистора), сопротивление которого изменяется при деформации.

Компараторы часто используют для преобразования «аналогового» сигнала в «цифровой»: сигнал любой формы на входе преобразуется на выходе в сигнал прямоугольной формы.

Преобразователи амплитуды входного сигнала в ширину выходного импульса (рис. 19.8, 19.9) используют в измерительной технике, импульсных блоках питания, цифровых усилителях [Рл 5/00-29].

Рис. 19.8

 

Рис. 19.9

При подаче на устройство входного сигнала синусоидальной или иной формы с увеличением амплитуды, начиная с некоторого порогового значения, на выходе устройства сформируются прямоугольные импульсы, ширина которых будет зависеть от амплитуды входного сигнала.

Схемы не требуют настройки, установки порогов. Полоса рабочих частот определяется емкостью конденсаторов С1 и С2. Устройства на рис. 19.8 и 19.9 отличаются способом подключения входов компаратора и, соответственно, «полярностью» выходных сигналов.

Для германиевых диодов пороговое напряжение начала работы преобразователей в полосе частот 5…200 кГц составляет 80…90 мВ, для кремниевых — 250…270 мВ. Максимальная амплитуда входного сигнала — в пределах 2…2,5 В.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Применение компараторов.

Основная функция компаратора это сравнение двух напряжений, одно из которых образцовое или опорное, а другое собственно измеряемое. Выходной сигнал компаратора может принимать лишь два значения: логический ноль, и логическая же единица, но не может изменяться линейно, как у операционного усилителя.

По принципу действия различают

• электрические,

• пневматические,

• оптические и даже

• механические компараторы.

Последние применяются для поверки концевых мер длины. Впервые компаратор для проверки концевых мер был применен в Париже Ленуаром в 1792 году, о чем есть статья в энциклопедии Брокгауза и Эфрона.

В настоящее время компараторы используются в основном в интегральном исполнении. Мало кому придет в голову собирать компаратор из дискретных транзисторов. Более того, компараторы используются как составная часть некоторых микросхем.

Классификация компараторов

По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы

• общего применения,

• быстродействующие и

• прецизионные.

В любительской практике чаще всего используются первые.

Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке

Рис. 6. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код

Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения.

Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.

Наименование	Определение	Схема включения	Временные диаграммы
Двухпороговый компаратор	ДПКили компаратор «с окном», фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона		на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие Vl <Vin <V2 так как в этом случае на единичные логические уровни.
Детектор пересечения нуля
Сравнение напряжений противоположной полярности
Мультивибратор
Генератор импульсов с переменной скважностью
Применение компаратора в качестве ОУ
Логические элементы	Элемент И/И-НЕ

Компаратор (метрология) — Википедия

Компара́тор — это техническое средство, естественные или специально создаваемые среды, позволяющие сличать друг с другом меры однородных величин или показания измерительных приборов, а также сравнивать участки (точки) шкал измерений.

Компараторы входят в состав практически всех измерительных приборов, схемы которых, как правило, содержат: измерительный преобразователь, компарирующую ячейку, меру (меры), отсчётное устройство, например цифровой вольтметр с встроенным опорным стабилитроном.

Классификация компараторов

Первая группа компараторов — это соответствующие функциональные узлы любых измерительных приборов. .

Вторая группа — это компараторы, относимые к средствам измерений, не содержащим меру. К таким компараторам относятся, например равноплечие весы, фотометрические головки, компараторы цвета.

Эти компараторы, несмотря на отсутствие в них мер, являются средствами измерений и подвергаются поверке.

Фотометрические головки поверяют в составе фотометрических скамей, которые также являются компарирующими устройствами для уравнивания освещенности от источников света.

Рычажные весы (без встроенных мер) при отсутствии разновеса могут быть использованы лишь для сравнения масс различных тел по принципу больше-меньше, т. е. для измерений в шкале порядка.

Эти меры массы — гири, особенно высокого класса, не могут быть проверены без применения весов, да и само их применение не реально без наличия весов различного назначения.

Процедура раздельной поверки весов и гирь определяется организационными, а не метрологическими факторами, а поэтому её можно отнести к распространенной процедуре поэлементной поверки. Таким образом, единый комплекс компаратор — мера (весы и гири) проверяются раздельно. Следовательно, эта группа компараторов должна проверяться наравне с прочими средствами измерений, и сложившаяся метрологическая практика признана правильной и оправданной.

Третья группа компараторов: естественные биологические системы — органы чувств человека, его глаза и органы слуха. По мере внедрения автоматизации их роль постепенно снижается, хотя в недавнем прошлом она была значительной.

Зачастую органы чувств выступают именно в роли компараторов. Примером этому может служить сравнивание цвета изделия с эталонным атласом цветов, уравнивание яркости полей сравнения в визуальном фотометре, процесс настройки музыкального инструмента, в котором материализована шкала октав, а в качестве компаратора выступает ухо настройщика, и т. п.

К четвёртой группе компараторов относят компарирующие факторы (это могут быть среды, устройства, прессы), которые, в свою очередь, подразделяются на естественные и создаваемые с помощью технических устройств.

Например одним из компарирующих факторов первой подгруппы является гравитационное поле Земли, используемое при сличении мер массы, силы, грузопоршневых манометров и т. д.

Подгруппа — это генерируемые техническими устройствами электромагнитные поля, электрические напряжения и токи как в открытом пространстве, так и в проводниках или волноводах и т. д. Это свойство компараторов (использование сред, процессов, явлений для сравнения) хорошо согласуется с требованиями к условиям изменения пассивных мер, для чего необходимо присутствие дополнительных факторов — физических полей (например, гравитационного поля Земли), физических процессов (например, протекание электрического тока через меры электрического сопротивления и индуктивности), т. е. наличие компарирующих сред, процессов или явлений.

В большинстве случаев от всех этих факторов требуется лишь стабильность во времени и однородность в объёме, достаточном для размещения сличаемых средств измерений.

Абсолютное значение величин, характеризующих эти факторы, не так существенно. Необходимо лишь, чтобы они обеспечивали функционирование сличаемых средств измерений в их диапазонах измерений. Поэтому вопрос о поверке компарирующих факторов обычно не возникает. Достаточно контролировать их стабильность. Но бывают исключения.

Так, при измерениях силы весовым методом, тарировании грузопоршневых манометров необходимо знать значение ускорения силы тяжести в месте расположения соответствующих эталонов, так как требования к точности измерений чрезвычайно высоки.

Значение силы тяжести не остается строго постоянным, оно подвержено изменениям во времени. Поэтому измерения ускорения силы тяжести для метрологических целей приходится время от времени повторять. Эту процедуру не принято называть поверкой, хотя её цель совпадает с целью выполнения периодической поверки.

Компараторы массы: описание и область применения

Для успешной работы лабораторий важна высокая точность используемых измерительных приборов. Это в первую очередь касается промышленных производств, метрологических служб, ювелирных заводов и других сфер деятельности, где малейшие погрешности могут негативным образом сказаться на результате работы. Такие измерительные приборы должны быть не только точными, но и надежными, функциональными, учитывающими все тонкости проведения взвешивания. Именно такими и являются компараторы массы, обладающие широкий сферой применения в лабораторных условиях и на производстве.

Принцип работы

Компараторы массы – сверхточные устройства для измерения массы. Процесс взвешивания происходит при помощи метода сличения. В основе работы прибора лежит электромагнитная компенсация веса с дальнейшей обработкой полученного сигнала. Особенностью такого способа взвешивания является полное отсутствие влияния на процесс сличения массы магнитных реакций.

Конструкция имеет встроенные датчики массы, которые гарантируют максимальный показатель точности измерения. Система обеспечивает минимальный риск деформации, смещения от центра и других проблем, которые негативным образом сказываются на точности измерения.

Особенности конструкции и работы устройства

Компараторы обладают схожей конструкцией и принципом работы. Основным назначением устройства является проверка и калибровка гирь, определение массы мельчайших деталей и другие работы, которые требуют высокой точности работы. Это касается и сфер производства, где для работы используются дорогостоящие материалы.

В зависимости от сферы назначения и необходимой точности измерения компараторы массы имеют такие параметры:

• фильтрация вибрационного действия;
• стабилизация полученных результатов взвешивания;
• возможность выбора нужных единиц измерения;
• время проведения взвешивая;
• выполнение калибровки с использованием внешнего груза;
• возможность ввода значения массы гирь;
• отсрочка символов стабильности.

Стандартный компаратор массы включает в себя такие конструкционные элементы:

• соединяемые между собой блоки;
• кабель для соединения блоков;
• дисплей для считывания результатов измерения;
• калибровочные гири;
• двунаправленный интерфейс, позволяющие подключать устройство к персональному компьютеру и другим внешним устройствам;
• ветрозащитные витрины.

Вне зависимости от назначения приборы оборудованы встроенным пакетом программ, позволяющие не только измерять массу, но и определять плотность, проводить дифференциальное взвешивание, вести статистику, проводить сравнение образцов.

Преимущества компараторов

Компараторы созданы для усовершенствования процесса измерения, обеспечивая высокую точность. К преимуществам таких приборов относится:

• использование высококачественных материалов при изготовлении устройств, что особенно важно для компараторов, которые используются для взвешивания крупных грузов;
• использование уникального процесса взвешивания, который является непрерывным и полностью электронным;
• применение современных микропроцессоров;
• самое высокое разрешение, если сравнивать с производственными весами;
• уникальная конструкция и технология взвешивания полностью исключает вибрации;
• стабильность получаемых результатов;
• процесс калибровки и проверки гирь полностью автоматизирован;
• надежность работы системы.

Все модели компараторов полностью соответствуют стандартам и соответствующим сертификатам, что делает их оптимальным решением для проведения взвешивания, если требуется максимально высокая точность результата.

Сфера применения

Компараторы обладают широкой сферой применения:

• государственные метрологические службы;
• взвешивание слитком драгоценных металлов;
• испытания в области качества;
• контроль погрешности на производстве деталей;
• проверка массы и калибровка гирь;
• на предприятиях различных отраслей, если требуется выполнять процессы, для которых нужны максимально точные измерения;
• эксплуатация тяжелых контейнеров для определения минимальной разности масс.

Компараторы массы – измерительные приборы, отличающиеся высоким показателем точности, отсутствием погрешности, надежностью и полностью автоматизированным процессов взвешивания. Для выбора оптимального по характеристикам устройства следует учитывать назначения компаратора и диапазон допустимых измерений.

Общие сведения о компараторах — Мегаобучалка

Аналоговые компараторы и таймеры

 

1. Аналоговый интегральный компаратор.

2. Применение компараторов.

3. Параметры компараторов.

4. Аналоговые таймеры.

 

Аналоговый интегральный компаратор.

Общие сведения о компараторах

Компаратор — это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал V_1N, а опорный сигнал (или уровень сравнения) V_REF, то выходной сигнал компаратора Vout — (представляющий собой логический сигнал, содержащий 1 бит информации) будет определяться по правилу

Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подается на входы логических устройств и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, и по сути дела является одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator —сравнивающее устройство) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше, чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Рис. 1. Аналоговый компаратор на операционном усилителе	Рис. 2. Проходная характеристика неинвертирующего компаратора

 

Неопределенность состояния выхода компаратора при разности входных сигналов |V_1N — V_REF| ~ 0 нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления (Рис. 3а),либо петлю гистерезиса (Рис. 36).

a	б

Рис. 3. Характеристики компараторов (при V_REF = 0):

а — с конечным коэффициентом усиления, б — с гистерезисом (VG — ширина петли гистерезиса)

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину|V¹_OUT— V⁰_OUT| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен был бы иметь бесконечно большой коэффициент усиленияи работать при полном отсутствии шумов.

К такой характеристике можно приблизится двумя способами: либо использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, либо ввести положительную обратную связь. В первом случае при |V_IN — V_REF| ~ 0 = 0 характеристика компаратора будет иметь вид Рис. 4а. Это приводит к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении V_IN выходной сигнал также будет изменяться замедленно (Рис. 4б-2),что может вызвать нечеткое срабатывание последующих логических схем. Еще хуже то, что при таком медленном изменении V_IN около V_REF может появиться так называемый «дребезг», при котором выход компаратора многократно с большой частотой меняет свое состояние под действием помех или шумов (Рис. 4б-3).Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (Рис.416). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (Рис. 46-4),но существенно уменьшает или даже полностью устраняет «дребезг» V_OUT .

 

 

Рис. 4.Временные диаграммы gереключения компараторов:

а — входные напряжения, б — выходные напряжения компараторов с

бесконечным усилением (/), с конечным усилением(2), при наличии внутреннего

или входного шума (3), с гистерезисом (4)

 

В качестве компаратора может быть использован и обычный операционный усилитель (ОУ), как это показано на Рис. 5.Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁и диод VD₂.

Пусть R₁ = R₂. Если (V_IN — V_RE) > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0. 5…0.7 В. При (V_IN — V_RE) > 0KREF) < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Vcv Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем, входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. ОУ, включенный по схеме, приведенной на Рис. 5,работает в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями.

 

Рис. 5. ОУ в режиме компаратора

 

Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100% отрицательной обратной связью. Поэтому в компараторах на обычных ОУ трудно получить время переключения менее 1 мкс.

 

Принцип работы компаратора

Содержание

Введение. 4

1 Общая часть. 5

1.1 Назначение и область применения устройства. 5

1.2 Принцип работы компаратора. 6

1.3 Типы компараторов. 9

1.4 Реализация компаратора на уровне
схемотехники. 10

2 Основная часть. 11

2.1 Проектирование цифрового комбинирующего устройства 11

2.2 Проектирование корпусов интегральных
чипов……………………………………………………………………16

3 Технологический процесс. 20

3.1 Проектирование технологического процесса. 20

3.2 Маршрутная карта. 22

3.3 Документы технологического процесса. 24

3.4 Процесс изготовления чипа. 26

Заключение. 28

Список литературы.. 29

Приложение А Datasheet 30

Приложение Б Общий вид детали. 31

Приложение В Глоссарий. 32

 

 

 

Введение

Темой данного курсового проекта является «Проектирование цифрового компаратора».

В последнее десятилетие цифровые устройства заняли места во всех областях деятельности человека, техники от устройства управления промышленными объектами требует от специалистов самого различного профиля быстрого освоения этой области знания.

Поэтому для результативного проектирования цифровых устройств разработчик должен уметь: выбрать наиболее приемлемый вариант решения поставленной задачи, работать с алгеброй логики, знать основные цифровые элементы и уметь их применять, по возможности знать наиболее простые и распространенные алгоритмы решения основных задач.

Целью курсовой работы является обучение аналитической деятельности, изложение собственной научной точки зрения, осуществление вариативных действий, на основе сформировавшихся организационных, информационных и интеллектуальных умений. Систематизация и закрепление полученных теоретических знаний и практических умений в процессе обучения и их применение при проектировании цифрового устройств

Задачи для исследования в данном курсовом проекте можно выделить следующие:

а) проведение анализа технического задания на проектирование СВТ;

б) приобретение навыков поиска научно-технической литературы и работы с ней, правильного составления и оформления технологической документации;

в) усвоение основных понятий и терминов относящихся к предмету.

Курсовое проектирование должно прежде всего научить студента самостоятельно работать и закрепить знания, полученные на лекциях, лабораторных и практических занятиях, которые далее применяют при выполнении дипломного проекта.

Общая часть

Назначение и область применения устройства

Цифровые компараторы-сравнивают значения двух чисел и вырабатывают единичный сигнал на одном из трех выходов ( Больше, Равно, Меньше), в зависимости от соотношения между этими числами. Выходы этих элементов подключены к элементу И ЛИ-НЕ. Сигналы с трех логических элементов формируют выходные сигналы компаратора. Микросхема 564ИП2 позволяет сравнивать два четырехразрядных двоичных числа и имеет расширяющие входы, с помощью которых можно увеличивать разрядность компараторов.

Цифровые компараторы также относятся к арифметическим устройствам. В зависимости от схемного исполнения компараторы могут определять равенство АВ ( А и В-независимые числа с равным количеством разрядов) либо вид неравенства: АВ или АВ. Результат сравнения отображается соответствующим логическим уровнем на выходе. Микросхемы — цифровые компараторы — выполняют, как правило, все эти операции и имеют три выхода. Цифровые компараторы широко применяются для выявления нужного числа ( слова) в потоке цифровой информации, для отметки времени в часовых приборах, для выполнения условных переходов в вычислительных устройствах.

Цифровые компараторы позволяют в совокупности с мультиплексорами или демультиплексорами осуществлять условные логические операции: проверку арифметических условий реализует компаратор, а их исполнение — мультиплексор или демультиплексор.

Цифровой компаратор непрерывно сравнивает текущий код счетчика таймера с кодом, который записан в 16-разрядном регистре выходного сравнения. нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение

Принцип работы компаратора

Компараторы используются в центральных процессорах и микроконтроллерах. Примерами цифровых компараторов являются КМОП — 4063 и 4585, ТТЛ — 7485 и 74682-89.

Аналоговым эквивалентом цифрового компаратора является компаратор напряжений. Некоторые микроконтроллеры имеют аналоговые компараторы на некоторых своих входах, которые могут быть считаны или включать прерывание.

Работу компаратора при сравнении двух одноразрядных кодов поясняет таблица истинности изображенная на рисунке 1

.

Рисунок 1 — Таблица истинности компаратора
одноразрядных кодов

Анализ таблицы истинности показывает, что при любой комбинации входных сигналов на выходе компаратора цифрового может быть сформирован только один активный (единичный) логический сигнал. Поэтому, при любой разрядности входных кодов достаточно, используя входные сигналы, сформировать только любые два выходных сигналов. Третий сигнал всегда может быть получен по двум известным.

Широкое распространение на практике получило сравнение аналоговых электрических сигналов (чаще всего электрических напряжений), которые получаются на выходе преобразователей неэлектрических величин в электрические с помощью электронных компараторов. Это существенно повыша­ет чувствительность компаратора. В этом случае схема может быть приведена к виду, представленному на рис.2, где на входах компаратора символами V1 , V2 , V3 обозначены электрические напряже­ния.

 

Рисунок 2 – Подключение компаратора

Компараторы электрических сигналов могут выполняться по различным схемам и на основе использования многообразной элементной базы.

Наиболее выгодно использование для этих целей специальных интегральных электронных компараторов, выполненных в виде одной микросхемы, которая практически идентична широко известным операционным усилите­лям, но отличается от них существенно большим коэффициентом усиления.

Рисунок 3 — Измерение частоты вращения

Рисунок 4 — Пилообразные импульсы фиксированной
частоты

Электронный компаратор наиболее широко применяется в системах широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Которые в свою очередь, используются для управления двигателями постоянного и переменного тока (измерение частоты вращения – рисунке 3). Такие узлы (ШИМ-двигатель) применяются, в частности, в разрыхлительно-трепальных агрегатах вместо коноидов, а также на других участках агрегата.

Генератор линейно измеряющегося напряжения ( ГЛИН) вырабатывает пилообразные импульсы фиксированной частоты (рисунке 4). Эти импульсы подаются на не инвертирующий вход компаратора, на инвертирующий вход которого подается напряжение установки V₀ . В моменты, когда V_глин ≥0 , компаратор по выходу устанавливается в состояние логической единицы (высокий уровень напряжения), когда V_глин <V₀ в состояние нуля (низкий уровень напряжения). Ширина импульсов τ зависит от величины напряжения V₀ .

Импульсы компаратора управляют электронным ключом, который в свою очередь подает напряжение питания V_п , на двигатель. При этом чем шире импульсы, тем больше величина V_ср — среднее напряжение на двигатель, и он вращается быстрее.

 

Типы компараторов

Рассмотрим основные типы компараторов:

– компаратор для сравнения разнополярных сигналов;

– компаратор для сравнения однополярных сигналов.

Компаратор для сравнения однополярных напряжений с гистерезисной характеристикой. В рассмотренных компараторах могут быть получены характеристики с гистерезисными свойствами. Введение гистерезиса в работу компаратора несколько снижает точность сравнения, однако делает его невосприимчивым к шумам и помехам. Гистерезис достигается включением более высокого опорного напряжения, когда напряжение изменяется от низкого к высокому уровню по сравнению со значением, используемым, когда напряжение изменяется от высокого к низкому уровню. При этом высокое значение опорного напряжения называется верхним порогом срабатывания, а низкое — нижним порогом срабатывания . Это достигается путем введения положительной обратной связи. Многоразрядные компараторы

Рассмотрим в качестве примера четырехразрядный цифровой компаратор серии К555СП1, восемь входов которого служат для подключения двух четырехразрядных слов: А0 . А3, В0 . B3, подлежащих сравнению. Управляющие входыI(А> В),(А = В) и I(А < В) могут быть использованы для наращивания разрядности компаратора. Предусмотрены три выхода результата сравнения: А> В, А = В и А<В.

Первый раздел (восемь верхних строк таблицы) определяет тот случай работы компаратора, когда подлежащие сравнению четырехразрядные слова не равны друг другу. При этом сигналы на входах наращивания разрядности как реакция на сигналы более младших разрядов сравниваемых слов никакого влияния на результат сравнения не оказывают.

 

1. 4 Реализация компаратора на уровне
схемотехники

На основе компараторов можно собрать множество релейных и иных схем, малая часть которых будет представлена ниже.

Градиентное реле находится в режиме ожидания сигнала. При изменении напряжения на делителе R1 —датчик на одном из входов компаратора напряжение изменяется мгновенно, на дру­гом — изменение напряжения во времени происходит с задерж­кой, обусловленной наличием RC-цепочки Для срабатывания компаратора достаточно, чтобы разница напряже­ний между его входами составила несколько мВ. Если считать, что заряд (или разряд) конденсатора происходит по, линейному закону, то при изменении сопротивления датчика градиентное реле сработает в момент времени. При дальнейшей стабилизации сопротивления датчика или возвращения его к ис­ходному уровню на входах компаратора вновь устанавливается состояние равновесия, градиентное реле выключается.

Ниже приведены практические примеры применения гради­ентных реле.

Градиентное фотореле. Индикатор изменения освещенно­сти предназначен для использования в телевизионных охранных системах и не требует вмешательства в их работу. Чув­ствительным элементом индикатора является фотодиод VD3. Фо­тодиод направляют на участок телевизионного экрана, наиболее критичный к условиям охраны.

При неизменной освещенности на телевизионном экране рабочая точка компаратора DA1 (К554САЗ) устанавливается ав­томатически: напряжение с делителя R1, VD3 через диоды VD1 и VD2 подается на входы компаратора DA1. В силу равенства этих напряжений чувствительность компаратора близка к предельной, и даже небольшая разность напряжений при изменении сопро­тивления фотодатчика (VD3) вызовет срабатывание исполнитель­ного устройства (светодиод HL1, реле К1, управляющее системой тревожной сигнализации).

 

 

Основная часть

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Как операционный усилитель используется в качестве компрессора в электронных схемах

Компаратор

Существуют различные типы компараторов, такие как электрические компараторы, электронные компараторы, механические компараторы, оптические компараторы, сигма-компараторы, пневматические компараторы, цифровые компараторы и т. Д., Которые используются для различных типов приложений. Рассмотрим компараторы, которые используются при проектировании электрических и электронных схем. Схема компаратора операционного усилителя часто используется во многих приложениях.В этой статье мы обсудим, как использовать операционный усилитель в качестве компаратора. Но, прежде всего, мы должны знать, что такое компаратор.

Что такое компаратор?

В целом, компаратор можно определить как устройство, состоящее из двух входных клемм, на одну клемму подается опорный входной сигнал, а на другой вход подается фактическое значение сигнала. Затем, в зависимости от разницы между этими двумя входами, он генерирует выходной сигнал как 0 (низкий) или 1 (высокий).

В электрической и электронной терминологии устройство, которое используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на две аналоговые входные клеммы, и выдает один двоичный цифровой выходной сигнал, который указывает, какой из них больше, называется компаратором.

Компаратор

Две аналоговые входные клеммы — V + и V-, а цифровой выход — V0. Этот выходной сигнал можно определить как

.

V0 = 1, если V +> V- и
V0 = 0, если V +

Компараторы часто используются в устройствах, которые используются для измерения аналоговых сигналов, релаксационных генераторов и аналого-цифровых преобразователей (АЦП).Эти компараторы состоят из дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, и компараторы могут быть построены с использованием операционных усилителей.

Операционный усилитель

Это электронный усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления, связанный по постоянному току, который состоит из двух входных клемм; дифференциальный вход подается на эти входные клеммы и создает единый выходной потенциал. Разность потенциалов между его входными клеммами усиливается, чтобы получить выходной сигнал, который в сотни тысяч раз превышает разницу между входными сигналами.

Операционный усилитель

Если коэффициент усиления без обратной связи усилителя равен AOL, а V + — неинвертирующий вход, а V- — инвертирующий вход, то выход усилителя может быть представлен как

Vout = AOL (V + — V-).

Существуют разные типы операционных усилителей, но 741 операционный усилитель часто используется в качестве компараторов.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Операционный усилитель

741 — это базовый операционный усилитель, который можно использовать для работы компаратора в простых электрических и электронных схемах.Например, рассмотрим переключатель с регулируемой температурой; этот переключатель используется для включения или выключения цепи, которая должна регулироваться в зависимости от температуры. Если температура превышает заданное контрольное значение, то датчик температуры производит выходное напряжение (низкое или высокое) соответственно.

Стандартные операционные усилители предназначены для усиления малой мощности. Им нужно время, чтобы восстановить свое выходное напряжение, и операционный усилитель снова начал работать в линейном режиме в случае, если операционные усилители выйдут из состояния насыщения.Входные сигналы быстро меняются в определенных приложениях компаратора, таких как датчики уровня звука или аналого-цифровые преобразователи. Операционные усилители, разработанные как усилители, не подходят для использования в качестве компараторов.

Компаратор с гистерезисом

Есть еще одна проблема с базовой компараторной схемой, это высокочастотные колебания напряжения, вызванные шумом. Это следует учитывать с операционными усилителями, которые специально разработаны как компараторы, а не как усилители.Если напряжение входного сигнала близок к опорному напряжению, то будет значительный шум от входного сигнала. Этот случайный характер шума будет вызывать большие колебания напряжения частоты, за счетом этого, в быстрых сукцессиях, напряжение входного сигнала будет идти выше или ниже, чем опорное напряжение.

Это приведет к временным колебаниям выходного сигнала между максимальным и минимальным уровнями напряжения. Но гистерезис может быть применен для решения этих проблем. В схеме триггера Шмитта зазор гистерезиса можно регулировать с помощью положительной обратной связи, применяя гистерезис к схеме компаратора операционного усилителя.На рисунке показана схема компаратора операционного усилителя с гистерезисом.

Схема компаратора ОУ

Как правило, выход операционного усилителя имеет положительную и отрицательную полярность до максимального напряжения, которое близко к потенциалам питания. Если мы подключим типичный операционный усилитель 741 к +/- 18 В, то максимальное выходное напряжение составит +/- 15 В. Это связано с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления разомкнутого контура операционного усилителя (от 10 000 до 1 миллиона). Если на каком-либо входе создается разница напряжений в +/- 150 микровольт, она может быть увеличена в миллион раз, и выход будет переведен в состояние насыщения. Таким образом, запасы на выходе имеют максимальное или минимальное значение.

Схема компаратора операционного усилителя

Эту максимальную разомкнутую петлю можно использовать в случае приборов или для сравнения двух напряжений при использовании операционного усилителя в качестве компаратора. Таким образом, выходной сигнал будет максимально высокое или низкое значение минимального на основании разности между входным напряжением и опорного напряжения (входного напряжения, которое несколько микро вольт больше или меньше, чем опорное напряжение).

Опорное напряжение подается на неинвертирующий входном вывод операционного усилителя и переменное напряжение подается на инвертирующем вход операционного усилителя.Из схемы компаратора ОУ, показанного на рисунке, если напряжение, приложенное к контакту 2 больше, чем опорное напряжение, приложенное к контакту 3, то выходной сигнал будет при низком напряжении, и это немного больше, чем -vs. Если напряжение, приложенное к контакту 2 меньше, чем опорное напряжение, приложенное к контакту 3, то выходной сигнал будет при высоком напряжении, и немного меньше, чем + Vs.

Есть много компараторов операционных усилителей, которые используются для высокоскоростных сравнений; Эти схемы компаратора на ОУ изменяют свое выходное состояние менее чем за 1 микросекунду.Но эти схемы компаратора на операционных усилителях с быстрым сравнением будут потреблять больше энергии в зависимости от скорости сравнения. Существуют различные типы компараторов, которые классифицируются в зависимости от скорости сравнения и количества потребляемой мощности. Конкретный компаратор операционного усилителя используется для конкретного приложения в зависимости от требуемой скорости и важных параметров, таких как скорость или потребляемая мощность.

Недостатки компаратора операционных усилителей

Компараторы на операционных усилителях имеют некоторые недостатки по сравнению с характеристиками специализированных компараторов:

• Эти схемы компаратора на операционном усилителе обычно используются в приложениях, где допустима низкая производительность.
Операционным усилителям
• требуется больше времени для восстановления после насыщения, поскольку они предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью.
• Для медленных входов всегда требуется внешний гистерезис, операционные усилители не имеют внутреннего гистерезиса.
• Между входами многих операционных усилителей будут подключены диоды, которые могут вызвать непредсказуемый ток на входах.

Компаратор используется для сравнения двух входов и, таким образом, выдает низкий уровень цифрового выхода или 0 и высокий уровень или 1 в зависимости от разницы между двумя входами.ОУ 741 можно использовать в качестве компаратора, о чем говорилось выше в этой статье. Поделитесь своим мнением о схемах компаратора и компараторе операционного усилителя, разместив свои комментарии в разделе комментариев ниже.

Просмотры сообщений: 8,448

Принцип работы схемы компаратора OP-Amp и его применение

Как правило, в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Это означает, что он принимает два входных напряжения, затем сравнивает их и выдает дифференциальное выходное напряжение высокого или низкого уровня.Компаратор используется для измерения, когда произвольный входной сигнал достигает Варьирование уровня опорного или определенный пороговый уровень. Компаратор может быть сконструирован с использованием различных компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители. Компараторы можно найти во многих электронных приложениях, которые могут использоваться для управления логическими схемами.

Символ компаратора

Операционный усилитель как компаратор

Когда мы внимательно посмотрим на символ компаратора, мы узнаем его как символ операционного усилителя (операционного усилителя), так что отличает этот компаратор от операционного усилителя; Операционный усилитель предназначен для приема аналоговых сигналов и вывода аналогового сигнала, тогда как компаратор выдает только выходной сигнал в виде цифрового сигнала; хотя в качестве компараторов можно использовать обычный операционный усилитель (операционные усилители, такие как LM324, LM358 и LM741, не могут использоваться непосредственно в схемах компаратора напряжения.

Операционные усилители

часто могут использоваться в качестве компараторов напряжения, если к выходу усилителя добавлен диод или транзистор), но реальный компаратор разработан так, чтобы иметь более быстрое время переключения по сравнению с многоцелевыми операционными усилителями. Таким образом, можно сказать, что компаратор — это модифицированная версия операционных усилителей, специально разработанная для обеспечения цифрового выхода.

Сравнение выходной схемы ОУ и компаратора

Работа базовой схемы компаратора

Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их, а затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0».

Схема неинвертирующего компаратора

Подавая аналоговый сигнал на вход + компаратора, называемый «неинвертирующим», и — вход, называемый «инвертирующим», схема компаратора сравнивает эти два аналоговых сигнала, если аналоговый вход на неинвертирующем входе больше чем аналоговый вход при инвертировании, тогда выход будет качаться до высокого логического уровня, и это заставит транзистор с открытым коллектором Q8 на эквивалентной схеме LM339 выше включиться. Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше, чем аналоговый вход на инвертирующем входе, тогда выход компаратора перейдет в низкий логический уровень.

При этом транзистор Q8 выключится. Как мы видели на изображении эквивалентной схемы LM339 выше, LM339 использует на выходе транзистор с открытым коллектором Q8, поэтому мы должны использовать «подтягивающий» резистор, который подключен к выводу коллектора Q8 с помощью Vcc, чтобы заставить этот транзистор Q8 работать. Согласно таблице данных LM339, максимальный ток, который может протекать через этот транзистор Q8 (выходной ток стока), составляет около 18 мА. V- можно рассчитать следующим образом.

V- = R2.Vcc / (R1 + R2)

Неинвертирующий вход компаратора подключен к потенциометру 10 K, который также формирует схему делителя напряжения, где мы можем регулировать начало напряжения V + с Vcc до 0 вольт. Во-первых, когда V + равно Vcc, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень (Vout = Vcc), потому что V + больше, чем V-.

Это выключит транзистор Q8 и погаснет светодиод. Когда напряжение V + падает ниже V- вольт, выход компаратора переходит в низкий логический уровень (Vout = GND), что включает транзистор Q8 и загорается светодиод.

Путем замены аналогового входа; делитель напряжения R1 и R2, подключенный к неинвертирующему входу (V +), и потенциометр, подключенный к инвертирующему входу (V-), мы получим противоположный выходной результат.

Схема инвертирующего компаратора

Опять же, используя принцип делителя напряжения, напряжение на неинвертирующем входе (V +) составляет примерно V- вольт, поэтому, если мы начинаем инвертирующее входное напряжение (V-) с Vcc вольт, V + ниже, чем V-, это включит транзистор Q8, и выход компаратора перейдет в низкий логический уровень.Когда мы регулируем V- ниже V +. После выключения транзистора Q8 выход компаратора перейдет в высокий логический уровень, потому что теперь V + больше, чем V-, и светодиод погаснет.

Применение компаратора в схемах практической электроники

Система мониторинга влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием Arduino

Система мониторинга влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием проекта Arduino предназначена для разработки системы автоматического полива, которая может управлять переключением (вкл. / выкл.) электродвигателя насоса в зависимости от влажности почвы.

Система мониторинга влажности

Датчик влажности определяет влажность почвы, и соответствующий сигнал подается на плату Arduino. Компаратор сравнивает сигналы уровня влажности с заранее заданным опорным сигналом. Затем он отправит сигнал на микроконтроллер. На основе сигнала, полученного от датчика, и сигнала компаратора, будет работать водяной насос. ЖК-дисплей используется для отображения состояния влажности почвы и водяного насоса.

Цепь датчика сердцебиения

Система

Реализация микросхемы монитора частоты сердечных сокращений

Датчик сердцебиения HRM-2511E имеет 4 операционных усилителя.Четвертый операционный усилитель используется как компаратор напряжения. ППГ аналоговый сигнал подается на положительный вход и отрицательный вход привязан к опорному напряжению (VR). Величину VR можно установить в пределах от 0 до Vcc с помощью потенциометра P2 (показанного выше). Каждый раз, когда импульсная волна PPG превышает пороговое напряжение VR, выходной сигнал компаратора становится высоким. Таким образом, это устройство обеспечивает выходной цифровой импульс, синхронизированный с тактом. Ширина импульса также определяется пороговым напряжением VR.

Цепь дымовой сигнализации

Цепь дымовой сигнализации

Фотодиоды излучают свет, который определяется фототранзисторами Q1 и Q2. Верхняя область герметична, поэтому рабочая точка транзистора Q1 не меняется. Эта рабочая точка используется в качестве эталона для компаратора. Когда дым попадает в нижнюю область, рабочая точка фототранзистора Q2 изменяется, что приводит к изменению напряжения Vin от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke). Как и интенсивность света в основании фотографии. -транзистор уменьшается из-за попадания дыма в область, ток базы уменьшается, а напряжение Vin увеличивается от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke).Когда напряжение Vin пересекает Vref, выход компаратора переключается с VL на VH, вызывая аварийный сигнал.

Надеюсь, что, прочитав эту статью, вы получили некоторые основы работы с компаратором. Если у вас есть какие-либо вопросы об этой статье или о проектах по электронике и электротехнике за последний год, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже. Вот вам вопрос: знаете ли вы какие-либо приложения для встроенных систем, в которых операционный усилитель используется в качестве схемы компаратора?

Схема компаратора операционного усилителя

»Примечания по электронике

Схема компаратора очень полезна для сравнения двух напряжений и определения большего или меньшего — это можно использовать для определения, когда напряжение превышает определенную точку.

---

Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига

---

В конструкции электронных схем часто используются схемы, которые сравнивают два напряжения и выдают цифровой выходной сигнал, зависящий от сравнения двух напряжений.

Для схемы компаратора необходим усилитель с высоким коэффициентом усиления, чтобы даже небольшие изменения на входе приводили к устойчивому переключению уровня на выходе.

Операционные усилители используются во многих конструкциях электронных схем, но определенные микросхемы компаратора обеспечивают гораздо лучшие характеристики.

Приложения компаратора

Компараторные схемы очень часто используются в электронных схемах.

Часто бывает необходимо уметь определять определенное напряжение и переключать цепь в соответствии с обнаруженным напряжением.

Одним из примеров может быть использование в цепи измерения температуры. Это может привести к изменению напряжения в зависимости от температуры. Может возникнуть необходимость включить нагрев, когда температура упадет ниже заданной точки, и этого можно достичь, используя компаратор, который определяет, когда напряжение, пропорциональное температуре, упало ниже определенного значения.

Для этих и многих других целей можно использовать схему, известную как компаратор.

Что такое компаратор?

Как следует из названия, компаратор, эти электронные компоненты и схемы используются для сравнения двух напряжений.

Когда один из них выше другого, выход схемы компаратора находится в одном состоянии, а когда входные условия меняются, выход компаратора переключается в другое состояние.

Компаратор состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления, который имеет дифференциальный вход — один инвертирующий вход и один неинвертирующий вход.

Что касается работы, компаратор переключается между высоким и низким в зависимости от состояния входов. Если неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий, то выход высокий.Если неинвертирующий вход ниже, чем инвертирующий, то выход высокий.

Краткое описание работы компаратора

Компараторы и операционные усилители

В то время как операционный усилитель легко использовать в качестве компаратора, особенно когда его можно легко использовать, если микросхема, содержащая несколько операционных усилителей, имеет один запасной. Однако не всегда рекомендуется применять такой подход. Операционный усилитель может не всегда работать правильно или не обеспечивать оптимальную производительность. Тем не менее, когда приложение не требует больших усилий, всегда возникает соблазн использовать эти электронные компоненты, потому что они уже могут быть доступны.

Производительность микросхем компаратора и операционных усилителей существенно различается по ряду аспектов:

• Фиксация операционного усилителя: В некоторых условиях, особенно когда операционный усилитель сильно нагружен, он может защелкнуться, т.е. даже при изменении входа выходной сигнал остается прежним. Компараторы предназначены для работы в этом режиме и никогда не должны срабатывать.

  Это одна из ключевых областей, в которой использование компаратора, а не операционного усилителя может быть явным преимуществом.

• Работа в разомкнутом контуре: Операционные усилители предназначены для использования в режиме замкнутого контура, и их схемы оптимизированы для этого типа сценария. Их работа не охарактеризована в режиме разомкнутого контура.

• Цифровые и аналоговые: Операционные усилители являются важными аналоговыми компонентами, и их внутренние схемы предназначены для работы в этом регионе. Компараторы предназначены для работы в качестве логической функции, т.е.е. в цифровом режиме.

  Это означает, что операционные усилители лучше всего работают в аналоговом режиме, когда выход не попадает в шины, тогда как компараторы не так хороши при работе в линейном режиме и намного лучше работают с логическими уровнями.

• Выходные каскады: Выходные каскады операционных усилителей и компараторов сильно различаются. Обычно операционные усилители имеют линейный выход, часто работающий в режиме дополнительной симметрии, чтобы обеспечить оптимальные линейные характеристики для выхода.

  Компараторы часто имеют выход с открытым коллектором, подходящий для подключения к цифровым интерфейсам. Они предназначены для взаимодействия с логической схемой, обеспечивая логический вход для сравнения аналоговых напряжений.

  Сравнение выходной схемы ОУ и компаратора

• Время отклика: Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорость нарастания высока и обеспечивает оптимальную производительность.

  Операционные усилители не оптимизированы для этих характеристик.Это, как правило, гораздо более медленные электронные компоненты, оптимизированные для линейной работы, а не для скорости.

• Выходное напряжение и напряжение насыщения: Компараторы обычно могут работать в небольших пределах напряжения шины. Это необходимо для хорошей коммутации логических схем. Операционные усилители не смогут работать с рельсами, поскольку они имеют определенное напряжение насыщения — это может привести к плохому переключению логических схем.

Принимая во внимание эти факторы, всегда предпочтительнее использовать микросхему компаратора, где предусмотрен этот тип работы.

Компаратор операционного усилителя

Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, поскольку он удовлетворяет основным требованиям для данной функции.

Во время работы операционный усилитель переходит в положительное или отрицательное насыщение в зависимости от входных напряжений. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя обычно превышает 100 000, выход будет работать в режиме насыщения, когда входы разнесены на доли милливольта.

Хотя операционные усилители широко используются в качестве компаратора, специальные микросхемы компаратора намного лучше.

Эти специальные микросхемы компаратора обеспечивают очень быстрое время переключения, намного превышающее время переключения, предлагаемое большинством операционных усилителей, предназначенных для более линейных приложений. Типичные скорости нарастания напряжения находятся в пределах нескольких тысяч вольт за микросекунду, хотя чаще приводятся цифры задержки распространения.

В типичной схеме компаратора один из входов имеет заданное напряжение. Часто это может быть потенциальный разделитель от источника или эталонного источника. Другой ввод передается в точку, которая должна быть обнаружена.

Схема компаратора базового операционного усилителя

На этой схеме напряжение переключения генерируется делителем потенциала, состоящим из R1 и R2. Это устанавливает напряжение на одном входе компаратора — в данном случае инвертирующем входе. Неинвертирующий вход этой цепи подключен к точке, требующей измерения. Когда напряжение на этой точке поднимается выше опорного напряжения на выходе компаратора будет идти высоко, и когда он падает ниже опорного напряжения на выходе будет низким.

Обычно компаратор питается от тех же шин напряжения, что и система. Для логики 5 В компаратор обычно работает от шины 5 В.

Примечания к компаратору ОУ

p> При использовании схем компаратора следует помнить о нескольких моментах. Между обычными схемами операционного усилителя и схемами компаратора есть некоторые различия, которые необходимо учитывать при проектировании любой электронной схемы.

• Убедитесь, что дифференциальный вход не превышен: Поскольку нет обратной связи, два входа в схему будут иметь разные напряжения.Соответственно, необходимо убедиться, что максимальный дифференциальный вход не превышен. Все возможности состояния схемы следует учитывать на этапе проектирования электронной схемы.
• Изменение входного тока: Опять же, в результате отсутствия обратной связи, нагрузка, подаваемая компаратором на источник, изменится. В частности, при изменении схемы будет небольшое увеличение входного тока. Для большинства цепей это не будет проблемой, но если сопротивление источника высокое, это может привести к нескольким необычным откликам.Это следует учитывать при проектировании электронной схемы.
• Шум входного сигнала: Основная проблема этой схемы заключается в том, что новая точка переключения, даже небольшой шум приведет к переключению выхода вперед и назад. Таким образом, около точки переключения может быть несколько переходов на выходе, и это может вызвать проблемы в другом месте всей цепи. Решением этого является использование триггера Шмитта.
  

• Если требуется функция компаратора, лучше всего использовать микросхему компаратора: Если требуется функция компаратора, всегда предпочтительнее использовать микросхему компаратора, если это вообще возможно.Если один из этих электронных компонентов недоступен и необходимо использовать операционный усилитель, будьте осторожны, чтобы не перегрузить вход, чтобы не произошло защелкивания.

Использование микросхемы компаратора

Когда возникает необходимость в схеме компаратора, всегда лучше выбрать конкретную микросхему компаратора в качестве основы схемы.

Микросхемы компаратора

намного лучше справляются с переключением между двумя значениями и часто могут иметь выходные каскады, которые могут более легко взаимодействовать с логикой, чем аналоговые операционные усилители.

С точки зрения работы базовой схемы, основное отличие состоит в том, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором и требуют внешнего подтягивающего резистора или другой схемы.