Компаратор. принцип работы компаратора логический электронный прибор для сравнения сигналов

Оглавление

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.

Вам это будет интересно Особенности амперметра переменного тока

Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена

Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.

Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Общие сведения

Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх — анализируемый сигнал и Uоп — опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

     (1)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов

Рис. 2. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1вых — Uвых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами — или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при Uвх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении Uвх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг Uвых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

Пусть R1 = R2. Если Uвх — Uоп > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При Uвх — Uоп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Uст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), 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. Включение по схеме на рис. 3 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

Java custom Comparator

In the next example, we create a custom .

com/zetcode/JavaCustomComparator.java

package com.zetcode;

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class JavaCustomComparatorEx {

    public static void main(String[] args) {

        List<String> words = Arrays.asList("pen", "blue", "atom", "to",
                "ecclesiastical", "abbey", "car", "ten", "desk", "slim",
                "journey", "forest", "landscape", "achievement", "Antarctica");

        words.sort((e1, e2) -> e1.length() - e2.length());

        words.forEach(System.out::println);

        words.sort((e1, e2) ->  e2.length() - e1.length());

        words.forEach(System.out::println);
    }
}

We have a list of words. This time we compare the words by their length.

words.sort((e1, e2) -> e1.length() - e2.length());

This custom comparator is used to sort the words by their size in ascending
order.

words.sort((e1, e2) ->  e2.length() - e1.length() );

In the second case, the words are sorted in descending order.

to
pen
car
ten
blue
atom
desk
slim
abbey
forest
journey
landscape
Antarctica
achievement
ecclesiastical
ecclesiastical
achievement
Antarctica
landscape
journey
forest
abbey
blue
atom
desk
slim
pen
car
ten
to

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Компараторы аналоговых сигналов

Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. В данном случае рассматриваются только наиболее распространённые в технике сигналы – сигналы постоянного тока. Если обозначить входной анализируемый сигнал Uвх, а опорный сигнал (порог сравнения) Uоп, то выходной сигнал компаратора Uвых (представляющий собой логический сигнал, содержащий 1 бит информации) будет определяться по правилу:

Выходной сигнал компаратора обычно подается на входы логических устройств управления и поэтому должен быть согласован с ними по уровню и мощности. Таким образом, компаратор – это элемент перехода от аналоговых сигналов к цифровым. По сути дела компаратор является одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.

Компараторы аналоговых сигналов проектируют либо на базе операционных усилителей (ОУ), либо на базе специальных интегральных схем компараторов. Упрощённое условное обозначение ОУ приведено на рис.11.8.

Рис. 11.8. Условное обозначение операционного усилителя

У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный знаком (+), и инвертирующий, обозначенный знаком (–). Если на неинвертирующий вход подать положительный возрастающий потенциал, то выходной потенциал также будет возрастать. Но если положительный возрастающий потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе будет уменьшаться. Если одинаковый потенциал подать на оба входа, то потенциал на выходе не изменится.

Следовательно, операционный усилитель реагирует на разность потенциалов между входами, т. е. он является дифференциальным усилителем.

В компараторах используются ОУ без обратных связей. Они имеют очень высокий собственный коэффициент усиления (10 6 – 10 7 ). Если напряжение на входе 1 хотя бы на несколько милливольт больше напряжения на входе 2 (U1 > U2), то на выходе ОУ напряжение принимает максимально возможное значение, несколько меньшее напряжения питания. Усилитель входит в насыщение.

Method used in Comparable:

Following is an important method used in the Comparable interface:

CompareTo():

CompareTo() method is used to perform natural sorting on string. The meaning of natural sorting is the sort order which applies on the object, e.g., numeric order for sorting integers, alphabetical order for String, etc.

The syntax of CompareTo() method is as follows:

int compareTo(T obj)

In the above syntax, T signifies the type of objects you are going to compare.

CompareTo() method compares the object with T obj.

Output:

  • It returns 0 if the values are equal.
  • In case, if the object has a lesser value, then this method returns a negative value.
  • If the object has a higher value, it returns a positive value.

CompareTo() Method Example:

The following program of Java comparable example shows the comparison of two characters, “a” and “b”. Character “a” comes before “b” alphabetically.

Therefore, output is -1. Character “b” comes after “a” alphabetically. Hence output is 1. Character “a” and “b” both are equivalent. Hence output is 0.

public class Sample_String {
    public static void main(String[] args) {
        String str_Sample = "a";
        System.out.println("Compare To 'a' b is : " + str_Sample.compareTo("b"));
        str_Sample = "b";
        System.out.println("Compare To 'b' a is : " + str_Sample.compareTo("a"));
        str_Sample = "b";
        System.out.println("Compare To 'b' b is : " + str_Sample.compareTo("b"));
    }
}

Output

Compare To 'a' b is : -1
Compare To 'b' a is : 1
Compare To 'b' b is : 0

Дифференциальное напряжение

Дифференциальные напряжения должны оставаться в пределах, указанных производителем. Ранние интегрированные компараторы, такие как семейство LM111, и некоторые высокоскоростные компараторы, такие как семейство LM119, требуют диапазонов дифференциальных напряжений, существенно меньших, чем напряжения источника питания (± 15 В против 36 В). Компараторы Rail-to-Rail допускают любые дифференциальные напряжения в пределах диапазона питания. При питании от биполярного (двухканального) источника питания

VS-≤V+,V-≤VS+,{\ Displaystyle V_ {S -} \ leq V _ {+}, V _ {-} \ leq V_ {S +},}

или при питании от униполярного источника питания TTL / CMOS ,

≤V+,V-≤Vcc{\ displaystyle 0 \ leq V _ {+}, V _ {-} \ leq V _ {\ text {cc}}}.

Специальные компараторы типа rail-to-rail с входными транзисторами , такие как семейство LM139, позволяют входному потенциалу упасть на 0,3 В ниже отрицательной шины питания, но не позволяют ему подниматься выше положительной шины. Специальные сверхбыстрые компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу колебаться ниже отрицательной шины и выше положительной шины, хотя и с небольшим запасом всего 0,2 В. Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входами) современной шины. to-rail компаратор обычно ограничивается только полным размахом подачи питания.

Использование[]

Сравнение сигналов

Компаратор имеет два входа: один сзади (сигнал А) и один сбоку (сигнал Б). Если к обеим боковым сторонам подведен сигнал, сигналом Б считается более сильный из них. Существует два режима вывода, переключаемые щелчком правой кнопки мыши на компараторе.

  • В первом режиме (факел спереди не горит, режим по умолчанию) компаратор сравнивает сигнал А с сигналом Б и пропускает сигнал А только если А≥Б. Если А слабее Б, на выходе будет ноль.
  • Во втором режиме (факел спереди горит) компаратор «вычитает» сигнал Б из сигнала А, выдавая на выход сигнал с силой, равной разности входов (А−Б).

Определение заполненности контейнеров

Компаратор, у задней стороны которого находится контейнер, позволяет снимать с него сигнал, зависящий от заполненности хранилища. Доступные контейнеры включают в себя: обычные и двойные сундуки, сундуки-ловушки, печи, варочные стойки, раздатчики, выбрасыватели, загрузочные воронки, нажимные рельсы с вагонеткой с сундуком или воронкой на них и якоря возрождения. При этом можно размещать компаратор через 1 полный блок, но только если компаратор находится на одной линии с контейнером. Если контейнер пуст, на выходе будет ноль. Если контейнер содержит что-либо, выходной сигнал рассчитывается по следующей формуле:

A = 1 + ( N1 V1 + N2 V2 + + Nn Vn ) × 14 n
Где:
A сила сигнала (С округлением в меньшую сторону)
N1…n количество предметов в слоте
V1…n размер полной стопки для данного предмета
n количество слотов в контейнере

Это означает, что сила сигнала зависит не напрямую от количества предметов в контейнере, а от его заполненности. Так, предмет, который нельзя сложить в стопку, полная стопка предметов, складывающихся по 16 предметов, и полная стопка предметов, складывающихся по 64 предмета, занимают одинаковый объём и на выходе дают одинаковый сигнал. Исходя из формулы, максимальная сила сигнала равна 15.

Определение пластинки

Компаратор, подключённый входом к проигрывателю, в котором находится пластинка, дает сигнал с силой, зависящей от порядкового номера используемой пластинки.

Сигнал Пластинка
нет
1 13
2 cat
3 blocks
4 chirp
5 far
6 mall
7 mellohi
8 stal
9 strad
10 ward
11 11
12 wait
13 Pigstep
14 не используется
15 не используется

Взаимодействие с командным блоком

Если компаратор подключён входом к командному блоку, в котором введена команда , при обновлении командного блока будет выдаваться сигнал, соответствующий количеству сущностей на сервере, соответствующих аргументу команды.
Если же в командном блоке введена любая другая команда, при её успешном выполнении будет выдаваться сигнал силой 1.

Взаимодействие с тортом

Если компаратор подключён входом к торту, он будет выдавать сигнал, пропорциональный количеству оставшегося торта. Каждый кусок торта добавляет 2 к силе выходного сигнала. Таким образом, полный торт выдаёт через компаратор сигнал силы 14.

Взаимодействие с котлом

Если компаратор подключён входом к котлу, он будет выдавать сигнал, пропорциональный количеству воды в котле. Пустой котёл выдаёт сигнал силы 0. Каждая треть воды в котле добавляет 1 к выходному сигналу.

Взаимодействие с рамкой

Компаратор может быть использован для определения угла поворота предмета в рамке, а также определения того, содержится ли там какой-либо предмет вообще. Чтобы считывать сигнал с рамки, компаратор должен быть подключен к блоку, на котором висит рамка, с противоположной от неё стороне. Пустая рамка выдаёт нулевой сигнал. Неповёрнутый предмет в рамке выдаёт сигнал силы 1. Каждые 45° поворота добавляют 1 к силе выходного сигнала.

Другое

  • Компаратор пропускает сигнал только в одну сторону, а потому может быть использован как диод. Но в отличие от повторителя, компаратор не усиливает сигнал.
  • Если поставить два компаратора в кольцо, потом подать и снять сигнал с этого кольца, то сигнал будет плавно затухать со скоростью длина провода минус 1 за 0,1 секунды (для каждого участка). Это позволяет сделать более компактную линию поддержки сигнала, чем на повторителях.
  • Компаратор, подключённый к рамке портала Края, выдаёт сигнал силы 15, если в рамке расположено око Края, и 0, если рамка пуста.
  • Задержка компаратора равна 0,1 секунды или двум тактам.

В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?

Основные различия между ними следующие:

  • Встроенные цепи фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают устройство слишком медленным для операций переключения.
  • Входные каскады ОУ обычно защищены диодами или дополнительными транзисторами, которые нередко препятствуют использованию ОУ в схеме компаратора.
  • Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения уровней.
  • Выходной каскад истинного компаратора сконструирован для работы в режиме насыщения со стандартными логическими уровнями сигналов. Часто его выход делается по схеме с отрытым коллектором (стоком).
  • Для установки коэффициента усиления и других характеристик схемы ОУ обычно включается с резисторами обратной связи. Компаратор, как правило, работает с разомкнутой петлей, то есть, без обратной связи.
  • По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень высокую скорость нарастания выходного напряжения.

Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.

Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель. Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Как работает компаратор?

На один из входов подается постоянный сигнал, который называется опорным. Он используется как образец для сравнения. Ко второму поступает испытуемый сигнал. На выходе стоит транзистор, меняющий свое состояние в зависимости от условий:

  • Напряжение прямого входа выше инверсного – транзистор открыт.
  • Напряжение инверсного входа выше прямого – закрыт.

Соответственно, выходное напряжение меняется скачком от минимума до максимума, или наоборот.

Напряжение выходных каскадов соответствует входным уровням большинства цифровых микросхем. Это необходимо для случаев, когда компаратор – это формирователь импульса, управляющего работой логических элементов.

Параметры прибора

На самом деле, прибор можно расценивать как простейший вольтметр. КН, подобно цифровому прибору, обладает рядом эксплуатационных качеств, подразделяемые на 2 разновидности: статические и динамические.

Параметры прибора

Первые обладают следующими характеристиками:

  • Максимальная чувствительность по отношению к пороговым размерам сигнала, которые КН устанавливает на входе и заменяет потенциал выхода устройства на логический «0» либо «1».
  • Размер смещения устанавливается передаточным фактором прибора в отношении установленного образцового положения.
  • Входной ток — предельное значение, способное протекать с использованием любого вывода, при этом, не нанеся повреждение прибору.
  • Выходной ток — размер тока, во время перехода измерителя в положение «1».
  • Разность токов — результат, определяемый при вычитании токовых данных.
  • Гистерезис — разница в уровнях входящего сигнала, которая приводит к изменению стабильного выходного состояния.
  • Коэффициент понижения сигнала рассчитывается по отношению к дифференциальному сигналу, которые приводят к смене варианта функционирования измерителя.
  • Наименьшая и наибольшая номинальная температура — интервал, в котором технологические характеристики прибора не будут изменяться.

Гистерезис компаратораОбратите внимание! Все основные параметры КН изображаются в форме параметров переходного типа. Это диаграмма, где по оси Х обозначается время, а Y — напряжение в вольтах

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).

Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.

Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже

Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХ ОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).

В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).

Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже

Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Прошло почти два года с тех пор, как я пытался приручить операционный усилитель УД708 для сравнения двух сигналов. Знаний тогда было мало, поэтому времени уходило много, а главное — еще и безрезультатно. Но в итоге для своей задачи я смог «договориться» с компаратором LM393N. А на днях перебирал поделку, в которой впервые использовал эту микросхему, и решил вспомнить, как работает компаратор. Заодно и другим рассказать.Компаратор — это устройство, сравнивающее два аналоговых сигнала. В самом простом случае — операционный усилитель без обратных связей. На входы ему подаются два напряжения — эталонное, оно же опорное (известно заранее) и измеряемое. На выходе возможны два состояния:

«1» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;«0» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.

Некоторые компараторы самостоятельно формируют уровни логических нуля и единицы (например, «ноль» — это ноль, «единица» — плюс пять вольт), но LM393 — с открытым коллектором. Ей для создания выходного напряжения нужен внешний резистор, подключающийся либо к «плюсу» питания, либо к другому «плюсу» (в разумных пределах, конечно).

Первые две схемы — каноничное включение нагрузки под открытый коллектор. Я подключал внешний резистор к питающему «плюсу».

Применение компараторов

Основное назначение компараторов — оцифровка аналоговых сигналов. С помощью компараторов осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств. Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля

На компараторах можно собирать различные устройства, такие как терморегуляторы, стабилизаторы, различные устройства автоматики — используя для изменения входного сигнала различные датчики, такие как, терморезисторы, фоторезисторы, индикаторы влажности и т.д.

Выходные каскады компараторов рассчитаны таким образом, чтобы их выходное напряжение соответствовало бы входному логическому уровню многих цифровых микросхем, поэтому их ещё могут называть формирователями.

Java built-in Comparator example

Java language offers some built-int Comparators.

com/zetcode/JavaBuiltInComparatorEx.java

package com.zetcode;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Comparator;
import java.util.List;

public class JavaBuiltInComparatorEx {

    public static void main(String[] args) {

        List<String> words = new ArrayList<>();

        words.add("dog");
        words.add("pen");
        words.add("sky");
        words.add("rock");
        words.add("den");
        words.add("fountain");

        words.sort(Comparator.naturalOrder());
        words.forEach(System.out::println);

        words.sort(Comparator.reverseOrder());
        words.forEach(System.out::println);
    }
}

In the example, we sort an array of words in ascending and descending orders.

words.sort(Comparator.naturalOrder());

The returns a built-in natural order
.

words.sort(Comparator.reverseOrder());

The returns a comparator that imposes the
reverse of the natural ordering.

Приложения

Нулевые детекторы

Детектор нуля определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений с обнаружением нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выхода. Схема детектора нуля сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно обозначаемое как v u и v r . Опорное напряжение обычно находится на неинвертирующем входе (+), а неизвестное напряжение обычно на инвертирующем входе (-). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии с их знаком по отношению к выходу, когда один вход больше другого.) Если входы почти не равны (см. Ниже), выход будет либо положительным, либо отрицательным, например ± 12 В. В случае нулевого детектора цель состоит в том, чтобы обнаружить, когда входные напряжения почти равны, что дает значение неизвестного напряжения, поскольку опорное напряжение известно.

При использовании компаратора в качестве детектора нуля точность ограничена; выходной сигнал равен нулю, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах напряжения. Например, если коэффициент усиления равен 10 6 , а пределы напряжения составляют ± 6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разность напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной погрешностью измерения.

Детекторы перехода через ноль

Для этого типа детектора компаратор обнаруживает каждый раз, когда импульс переменного тока меняет полярность. Выход компаратора меняет состояние каждый раз, когда импульс меняет свою полярность, то есть выход HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса квадратирует входной сигнал.

Осциллятор релаксации

Компаратор может быть использован для создания релаксационного генератора . Он использует как положительные, так и отрицательные отзывы. Положительная обратная связь представляет собой конфигурацию триггера Шмитта . Сам по себе триггер — это бистабильный мультивибратор . Однако медленная отрицательная обратная связь, добавляемая к триггеру RC-цепью, заставляет цепь автоматически колебаться. То есть добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор .

Аналого-цифровые преобразователи

Когда компаратор выполняет функцию определения того, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он, по сути, выполняет 1-битное квантование . Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как флэш , конвейер, последовательное приближение , дельта-сигма модуляция , сворачивание, интерполяция, двойной наклон и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования.

Детекторы окон

Компараторы также могут использоваться как детекторы окон. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения, находится ли данное входное напряжение ниже или выше напряжения.

Детекторы абсолютного значения

Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютных значений два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений.

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Вам это будет интересно Измерение мультиметром с токовыми клещами

Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.