Компаратор: принцип работы и практическое применение
Компаратор — это электронное устройство, которое сравнивает два входных напряжения на основе их относительных величин и выдает цифровой выходной сигнал логической единицы или ноля. Он используется в различной топологии, где требуется точное обнаружение уровня напряжения. Например, в измерительных приборах электрических величин и в
Содержание:
Как работают компараторы
Операция сравнения компаратора основана на простой концепции: когда напряжение на неинвертирующем входе выше напряжения инвертирующего входа то, выходной сигнал имеет высокое значение (логическая «1»). Если инверсный вход имеет выше потенциал, чем неинверсный, то выход переходит в состояние низкого напряжения (логический «0»).
Компараторы строят на операционных усилителях (ОУ) с большим коэффициентом усиления. При этом используется не отрицательная обратная связь (ООС), как в аналоговых ОУ, а положительная (ПОС). Тогда появляется такая функция, как гистерезис. Он повышает стабильность устойчивого состояния при медленном изменении сравниваемых напряжений, близких по значению.
Это предотвращает постоянное переключение выхода из одного состояния во второе и наоборот. При увеличении ПОС, путем уменьшения сопротивления резистора, подключенного с выхода на неинвертирующий вход, петля гистерезиса расширяется. А если связь ослабить увеличением номинала резистора ПОС, то происходит ее сужение. Номинальным сопротивлением такой цепи для многих ОУ является значение в 100 кОм.
Выходы компаратора могут иметь различную топологию, что необходимо учитывать при построении схем элементов нагрузки и последующих входов. Выходные каскады с открытым коллектором не имеют связи с положительным потенциалом. Такие выходы компаратора, при необходимости, дополняют «подтягивающим» резистором или буферными каскадами. При этом обязательно учитывают параметры максимального тока и напряжения, мощности выходного каскада компаратора используемой микросхемы.
Для работы формирователя цифрового сигнала АЦП на основе компаратора, на неинвертирующий вход подается ступенчато возрастающее напряжение. Каждая ступень возрастания при этом соответствует определенному цифровому значению. А на инвертирующий вход подается аналоговый сигнал, подлежащий преобразованию в цифровой.
При достижении уровня на аналоговом входе, превышающего значения ступенчатого напряжения, на выходе компаратора появляется высокий уровень. Он фиксирует цифровую комбинацию, соответствующую положению ступенчатого напряжения. Каждая серия ступенчатых пиков вызывает изменения цифровой комбинации. Чем больше ее разрядность и выше их частота, тем точнее преобразовывается сигнал.
Информация момента изменения ступенек и пиков фиксируется и входит в составляющую цифрового сигнала. Она может быть в виде тактовых импульсов и передаваться отдельным каналом либо модулироваться в последовательный сигнал определенным протоколом. Синхронизация позволяет более точно производить обратное преобразование
Для надежной работоспособности таких систем необходимо, чтобы скоростные характеристики компаратора во много тысяч, и даже сотен тысяч раз, превышали частотные свойства усилителей конвертируемого сигнала. Особенно, если АЦП происходит в последовательный цифровой сигнал.
Применение компараторов напряжения
Компараторы используются в различных системах электронных устройств. Вот лишь некоторые примеры того, для чего нужен компаратор:
- Контроллеры максимально/минимально допустимого напряжения, которые работают в режиме реального времени. Зарядные модули литиевых аккумуляторов, встроенные в батарею или элемент контроллеры. Они постоянно следят за режимом заряда/разряда и при достижении критических значений напряжения на накопителе производят нужное отключение компонентов схемы.
- Пороговые устройства, работающие от датчиков и сигнализаторов. В системах автоматизации они включают/отключают нагрузку или переводят систему в определенный режим работы в зависимости от входного сигнала датчиков и положения настройки. В эту категорию входят защитные устройства, которые при достижении определенных значений напряжения на входе, мгновенно отключают нагрузку или включают (запускают) дополнительные устройства, например, вентиляцию.
- Измерительные приборы с цифровой индикацией. Для преобразования измеряемого напряжения, тока, мощности, емкости, индуктивности и даже температуры требуется устройство сравнения с эталонными значениями потенциалов, в системах настройки прибора измерения, контроля или учета.
- АЦП микроконтроллеров. Некоторые интегральные микросхемы, работающие по программным алгоритмам, содержат встроенные конвертеры аналогово сигнала. Иногда микроконтроллеру необходим отдельный или специализированный преобразователь либо пороговый элемент включения/выключения определенного состояния. Его реализуют на компараторах.
- Логические элементы могут быть построены на компараторах. Например, элемент «НЕ», также «И» либо «ИЛИ». А комбинацией из нескольких таких устройств можно получить требуемую логическую функцию. Поэтому компараторы используются в системах аналогового вычисления.
Современные устройства контроля, управления и отображения электрических параметров нуждаются в различных электронных устройствах. Например, для измерения параметров линий высоких напряжений, сетевых потенциалов, требуется устройство с изоляционным барьером. Брендовыми производителями разработаны специальные ОУ, которые имеют встроенную гальваническую развязку.
Построение компараторов на ОУ с изоляционным барьером позволяет вести контроль и управление силовых цепей, находящихся под опасным потенциалом. Они находят широкое применение не только в энергетике, но и в медицине.
