Компаратор - це що таке? Мікросхема і принцип роботи

Компаратор – це пристрій, призначений для порівняння будь-яких величин (від лат. comparare – "порівнювати"). Є операційним підсилювачем з великим коефіцієнтом множення. Має входи: прямий та інверсний. При необхідності опорний сигнал може бути підключений до будь-якого з них.

Як компаратор працює?

На один з входів подається постійний сигнал, який називається опорним. Він використовується як зразок для порівняння. До другого надходить випробуваний сигнал. На виході стоїть транзистор, який змінює свій стан в залежності від умов:

• Напруга прямого входу вище інверсного – транзистор відкритий.
• Напруга інверсного входу вище прямого – закритий.

Відповідно, вихідна напруга змінюється стрибком від мінімуму до максимуму, або навпаки.

Напруга вихідних каскадів відповідає вхідним рівнями більшості цифрових мікросхем. Це необхідно для випадків, коли компаратор – це формувач імпульсу, що управляє роботою логічних елементів.

Застосування компаратора

Використовуються в схемах вимірювання електричних сигналів і аналогово-цифрових перетворювачах. У логічних ланцюгах працюють елементи «або» і «не», також є компараторами. Відповідно, використання цього компонента не обмежується конкретними прикладами, оскільки він застосовується повсюдно.

Варто відзначити, що пристрій порівняння можна зробити з будь-якого операційного підсилювача, але не навпаки. Коефіцієнт посилення компаратора досить високий. Відповідно, його входи дуже чутливі до різниці напруг між ними. Розбіжність у декілька мілівольт значно змінює напругу виходу.

Більше:

Компанія Акадо - відгуки тільки відмінні!

Акадо – це одна з лідируючих компаній у Росії, що займається підключенням безлімітного інтернету і телебачення в Москві і Московській області, а також у багатьох великих регіонах РФ. Осівши в 1995 році і 13 років протримавшись на одному рівні з...

Кабель RS-232: опис, низначение, технічні характеристики

Строго кажучи, кабель RS-232 – це найменування стандарту, що описує інтерфейс з'єднання з комп'ютера з пристроєм передачі даних. RS – recommended standard, перекладається як "рекомендований стандарт", а 232 – номер типу. В...

Смартфон Samsung Galaxy Alpha: відгуки. «Самсунг Альфа»: характеристики, ціна

Концерн Samsung славиться більш практичними телефонами, на відміну від свого прямого конкурента Apple. Останній більш відомий стилем і красою продукції, в той час як корейська компанія виробляє, швидше, бюджетні, але практичні девайси. Так ось, забуд...

Таким чином, компаратор дозволяє спостерігати мінімальні коливання рівнів вхідних напруг. Це робить його незамінним елементом схем порівняння і вимірювальних приладів високої точності:

• індикатори рівня вхідного сигналу;
• металошукачі;
• мікро - і мілівольтметри;
• детектори електромагнітних випромінювань;
• лабораторні датчики;
• компаратори маси;
• газоаналізатори.

Принцип дії аналогового компаратора

Аналоговий компаратор порівнює безперервні сигнали – вхідний вимірюваний і вхідний опорний. Як працює пристрій, показано на графіку нижче.

При повільному зміні вхідного сигналу, відбувається багаторазове перемикання компаратора за малий відрізок часу. Таке явище називають «електронним дребезгом». Його наявність значно знижує ефективність порівняння. Оскільки часто повторювані зміни стану виходу, вводять прохідний транзистор в стан насичення.

Для зменшення ефекту «електронного брязкоту», в схему вводять ПОС – позитивний зворотний зв'язок. Вона забезпечує гістерезис – невелику різницю між рівнем напруги включення і відключення. Деякі компаратори мають вбудовану С, що зменшує кількість додаткових елементів побудови конструкції. Наприклад, при незначній втрати чутливості, домагаються стабільної роботи компаратора.

Особливості цифрового компаратора

Цифровий компаратор – це однобитный аналогово-цифровий перетворювач. Напруга виходу представляє логічний «0», або «1». На вхід може бути поданий як аналоговий, так і цифровий сигнал. Пристрій використовується в якості формувача імпульсів для сполучення схем датчиків і пристроїв відображення. Може застосовуватися для аналізу спектра звукового або світлового сигналу. Компаратор – це також логічні елементи «або» і «не», які використовуються в обчислювальній техніці.

Теоретично при незначно малих коливаннях рівня вхідного сигналу, може виникати стан невизначеності виходу. На практиці рівність вимірювального та опорного напруги не настає. Оскільки компаратор має обмежений коефіцієнт посилення або позитивний зворотний зв'язок.

Характерним прикладом є тригер Шмітта (ТШ). У нього не збігаються рівні включення і виключення, що визначається ПОС. Це дозволяє знехтувати дискретної перешкодою при роботі компаратора.

Компаратор-мікросхема

Промисловість випускає компаратори у вигляді інтегральних схем. Їх використання дозволяє створювати компактні прилади, з мінімумом навісних елементів. Також перевага малогабаритних деталей в незначній довжині з'єднувальних провідників. В умовах підвищеного електромагнітного випромінювання вони є приймальними антенами для всіляких електричних перешкод.

Компаратор на операційному підсилювачі

У компараторів є чимале схожість з операційними підсилювачами:

• коефіцієнт підсилення;
• вхідний опір;
• значення вхідних струмів;
• стан насичення.

Чутливість, по-іншому роздільна здатність, – це специфічний параметр. Вона визначає точність порівняння. Характеризується мінімальною різницею сигналів, при якій відбувається спрацьовування компаратора. Її значення у інтегральних мікросхем має сотень мікровольт. Це трохи гірше, ніж у компараторів на операційнихпідсилювачах.

Час перемикання характеризує швидкодію компараторів. Визначається мінімальним часом зміни вихідного сигналу: від моменту порівняння до моменту спрацьовування. Залежить від різниці сигналів на входах. Значення часу перемикання складають десятки і сотні наносекунд.

Як зробити компаратор своїми руками?

Хто вміє читати принципові схеми і паяти, без праці збере найпростіші компаратори для використання в побуті. Область застосування дуже широка. На них можна побудувати масу конструкцій з мінімальними витратами. Найпростіший компаратор – це операційний підсилювач без позитивного зворотного зв'язку.

В якості основи для компаратора використовується ОУ серії LM339. Для контролю та наочності роботи схеми введені червоний і зелений індикатори. При підключенні живлення на ОУ повинен засвітитися один з світлодіодів, причому який з них - неважливо. Це визначається безліччю факторів: мережеві наведення на схему, особливо партії і параметрів ОУ. Навіть якщо взяти кілька однакових мікросхем, вийдуть різні результати.

Якщо вхідний сигнал близький до «0» – буде світитися зелений, а якщо близьке до напруги живлення, то червоний світлодіод. Потім можна спробувати змінити логічне стан компаратора, подавши на один з входів напруга рівна, наприклад, половині напруги живлення ОУ. Сигнал на виході не залежить від абсолютного значення напруг на прямому і інверсному вході. А тільки від різниці напруг.

Дані досліди демонструють роботу компаратора без ПОС. Такий компаратор може бути використаний там, де не потрібно особливої точності вимірювань. Такими приладами є побутові термостати, зарядні пристрої для автомобільних акумуляторів, пристрої десульфатации (відновлення) автоаккумуляторов, фотореле.

Приклад практичного застосування компаратора

На принциповій схемі представлений датчик освітленості.

Опорне напруга задається резисторами RV1 і R2. При цьому, RV1 служить регулятором чутливості конструкції. Індикація реалізована на світлодіоді D1. Датчиком є елемент LDR1, який змінює омічний опір залежно від освітленості. Власне компаратор представлений операційним підсилювачем LM324. Це простий пристрій демонструє те, як працює компаратор на практиці.

Компаратори маси: поняття

Компаратор маси це пристрій, призначений для уточнення різниці значень маси гир при контролі стандартів маси та ваги, а також, для прецизійного зважування. Найбільш точні компаратори маси здатні зважити будь-зразок та порівняти його з іншим, подібним йому. Відбувається це на рівні атомів. Необхідність в таких пристроях виникає з причини недосконалості еталонних зразків мір ваги та об'єму рідини.

Приклади і використання пристроїв уточнення ваги

Російським стандартом маси є платиновий циліндр. Він був скопійований з французького зразка 125 років тому. За минулі роки, еталон втратив у вигляді окислів близько 40 мкг від початкового ваги. Відповідно, його використання для потреб виробництв, з високою точністю вимірювання маси зараз важко.

Був розроблений новий стандарт маси. Вчені призначили таким кремнієвий куля з парною кількістю атомів. Зараз це найбільш точний варіант еталона кілограма. Його характеристики прийняті міжнародним співтовариством для використання.

Створений зразок потребу в багаторазовому копіюванні. Так як сучасні напрямки в науці, особливо фармакологія, біоінженерія, комп'ютерна електроніка, нанотехнологічні розробки вимагають прецизійної точності вимірювань. Для таких галузей науки і техніки критичні соті частки мікрограма. Цю задачу повинен вирішити атомний компаратор маси – пристрій здатне визначити різницю в декілька часток.

Атомний компаратор використовує для вимірювань опорний сигнал, отриманий від високоточної кварцового генератора. Вимірювана напруга береться з квантового дискримінатора, що визначає стабільність лінії найдрібніших частинок. Її зміни викликані розбіжністю в кількості атомів зразка. Тому зараз – це самий точний прилад вимірювання.

Існують і менш точні компаратори маси. Їх вартість набагато нижче атомних, але для них усіх перебуває робота в промисловості, торгівлі, стандартизації.