Обозначение компаратора на схеме

Обозначение компаратора на схемеЦифровые устройства строятся на логических элементах, поэтому подчиняются законам алгебры логики. Основными устройствами цифровой техники, на ряду с логическими устройствами, являются триггеры.

Триггер (англ. trigger – курок) – электронное устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего импульса.

Триггерами или точнее триггерными системами называют большой класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознается по значению выходного напряжения.

Каждому состоянию триггера соответствует определённый (высокий или низкий) уровень выходного напряжения:

1) триггер установлен в единичное состояние – уровень «1».

2) триггер сброшен в нуль – уровень «0» на выходе.

Установившееся состояние сохраняется сколь угодно долго и может быть изменено внешним импульсом или отключением напряжения питания. Т.о. триггер являются элементарным элементом памяти, способным хранить наименьшею единицу информацию (один бит) «0» или «1».

Триггеры могут быть построены на дискретных элементах, логических элементах, на ИМС или входят в состав ИМС.

К основным типам триггеров относят: RS-, D-, T- и JK-триггеры . Кроме того, триггеры делятся на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

RS-триггер имеет минимум два входа: S (set – устанавливать) – производится установка триггера в состояние уровня «1» и R (reset) – сброс триггера в состояние уровня «0». (рис. 1).

При наличии входа С триггер является синхронным – переключение триггера (изменение состояния выхода) может происходить только в момент прихода тактирующего (синхронизирующего) импульса на вход С.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 1 – Условно-графическое обозначение RS-триггера и назначение выводов а) асинхронный, б) синхронный

Кроме прямого выхода, триггер может иметь также инверсный выход, сигнал на котором будет противоположным.

В таблице 1 представлены состояния, которые может принимать триггер в процессе работы. В таблице указаны значения входных сигналов S и R в некоторый момент времени tn и состояние триггера (на прямом выходе) в следующий момент времени tn+1 после прихода очередных импульсов. На новое состояние триггера влияет также предыдущее состояние Q n.

Т.о. если необходимо записать в триггер «1» – подаем импульс на вход S, если «0» – подаем импульс на вход R.

Комбинация S = 1, R =1 является запретной комбинацией, т.к. нельзя предугадать какое состояние установится на выходе.

Таблица 1 – Таблица состояний синхронного RS-триггера

Обозначение компаратора на схеме

Работу триггера также можно рассматривать с помощью временных диаграмм (рис. 2).

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 2 – Временные диаграммы работы асинхронного RS-триггера

D-триггер (от англ. delay – задержка) имеет один информационный вход и тактируемый (синхронизирующий) вход (рис. 3).

D-триггер запоминает и хранит на выходе Q сигнал, который был на информационном входе D в момент прихода тактового импульса С. Т.о. триггер хранит информацию, записанную при С=1.

Таблица 2 – Таблица состояний D-триггера

Обозначение компаратора на схеме

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 3 – D-триггер: а) условно-графическое обозначение, б) временные диаграммы работы

T-триггеры (от англ. tumble – опрокидываться, кувыркаться), называемые также счётными триггерами, имеют один информационный вход Т. Каждый импульс (спад импульса) на Т-входе (счетном входе) переключает триггер в противоположное состояние.

На рисунке 4 показа условно-графическое обозначение (а) Т-триггера и временные диаграммы работы (б).

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 4 – T-триггер а) условно-графическое обозначение, б) временные диаграммы работы в) таблица состояний

JK-триггер (от англ. jump – скачок, kеер – держать) имеет два информационных входа J и К, и тактируемый вход С. Назначение выводов J и К аналогично назначению выводов R и S, но при этом триггер не имеет запретных комбинаций. Если J = К = 1 он изменяет свое состояние на противоположное (рис. 5).

При соответствующем подключении входов, триггер может выполнять функции RS-, D-, T-триггеров, т.е. является универсальным триггером.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 5 – JK -триггер а) условно-графическое обозначение, б) сокращённая таблица состояний

Компаратор (compare – сравнивать) – устройство, сравнивающее два напряжения – входное Uвх с опорным Uоп. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. Простейшая схема компаратора на операционном усилителе приведена на рисунке 6, а. Если Uвх Uоп на выходе U –нас (рис. 6, б).

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 6 – Компаратор на ОУ: а) простейшая схема б) характеристика работы

Компаратор с положительной обратной связью называется триггером Шмитта. Если у компаратора переключение с «1» на «0» и обратно происходит при одном и том же напряжении, то у триггера Шмитта – при разных напряжениях. Опорное напряжение создает цепь ПОС R1R2, входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ. На рисунке 7, б, приведена передаточная характеристика триггера Шмитта.

Читать также:  Расчет обмоток тороидального трансформатора

При отрицательном напряжении на инвентирующем входе ОУ Uвых = U+нас. Значит на неинвертирующем входе действует положительное напряжение. При увеличении входного напряжения в момент Uвх > Uнеинв. (Uср – срабатывания) компаратор переключается в состояние Uвых = U-нас. На неинвертирующем входе действует отрицательное напряжение. Соответственно при уменьшении входного напряжения в момент Uвх

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 7 – Триггер Шмитта на ОУ: а) простейшая схема б) характеристика работы

Пример. На рисунке 8 представлена релейно-контакторная схема управления электродвигателем, позволяющая выполнять его пуск, остановку и реверс.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 8 – Релейно-контакторная схема управления электродвигателем

Коммутацию электродвигателя выполняют магнитные пускатели КМ1, КМ2. Свободно замкнутые контакты КМ1, КМ2 предотвращают одновременное срабатывание магнитных пускателей. Свободно разомкнутые контакты КМ1, КМ2 обеспечивают самоблокировку кнопок SB2 и SB3.

Для повышения надёжности работы требуется заменить релейно-контакторные цепи управления и силовые цепей на бесконтактную систему с использованием полупроводниковых приборов и устройств.

На рисунке 9 представлена бесконтактная схема управления электродвигателем.

Силовые контакты магнитных пускателей заменены оптосимистрами: КМ1 – VS1-VS3, КМ2 – VS4-VS6. Применение именно оптосисимистров позволяет обеспечить изоляцию слаботочной цепи управления от мощной силовой цепи

Триггеры обеспечивают самоблокировку кнопок SB2, SB3. Логические элементы И обеспечивают одновременное включение только одного из магнитных пускателей.

При открывании транзистора VT1 ток протекает через светодиоды первой группы оптосимистров VS1-VS3, обеспечивая тем самым протекание тока через обмотки электродвигателя. Открывание транзистора VT2 запитывает вторую группу оптосимистров VS4-VS6, обеспечивая вращение электродвигателя в другую сторону.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 9 – Бесконтактная схема управления электродвигателем

Регистр – электронное устройство, предназначенное для кратковременного хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел. Регистр состоит из триггеров, количество которых определяет, сколько разрядов двоичного числа может хранить регистр – разрядность регистра (рис. 10, а). Для организации работы триггеров могут быть использованы логические элементы.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 10 – Регистр: а) общее представление, б) условно-графическое обозначение

По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на параллельные и последовательные.

В последовательном регистре триггеры соединены последовательно, т. е. выходы предыдущего триггера передают информацию на входы последующего. Тактовые входы С триггеров соединены параллельно. Такой регистр имеет один информационный вход и вход управления – тактовый вход С.

В параллельном регистре запись в триггеры происходит одновременно, для чего имеется четыре информационных входа.

На рисунке 10, представлено УГО и назначение выводов четырёхразрядного параллельно-последовательного регистра.

Компаратор (лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство – логический электронный прибор с двумя входами и одним выходом. Компаратор выдает высокое напряжение (логическая 1) в случае, если напряжение на первом (прямом) входе выше, чем на втором (инвертирующем) и низкое выходное напряжение (логический 0) если напряжение первого входа ниже вольтажа второго.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями.

Способ реализации компаратора – операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления. Если подать на один его вход (например инверсный) какой то постоянный уровень опорного напряжения, а на другой вход (прямой) изменяющийся сигнал – выходное напряжение у него изменится скачком, от минимального до максимального в тот момент, когда уровень входного сигнала превысит уровень сигнала опорного напряжения, установленного на другом входе, и наоборот.

Обозначение компаратора на схеме

Таким образом, если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже – закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.

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.

Схемы практической реализации устройств на основе компараторов

В качестве примера возмем распространённый компаратор К554СА3, (зарубежные аналоги LM-111, LM-211, LM-311).

На выходе этого компаратора включен транзистор с открытыми коллектором и эмиттером, и в зависимости от необходимого результата на выходе, его можно подключать по схеме с общим эмиттером или эмиттерным повторителем.

Схема включения компаратора для одно-полярного питания изображена на рисунке 1, для двух-полярного питания на рисунке 2.

Читать также:  Как пользоваться стриппером для проводов видео

Обозначение компаратора на схеме
Рисунок 1.

Схема включения компаратора в одно-полярное питание.
а – с общим эмиттером; б – эмиттерным повторителем.
Напряжение питания +5 вольт указано для уровня логики ТТЛ микросхем.

Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 2.
Схема включения компаратора в двух-полярное питание.
а – с общим эмиттером; б – эмиттерным повторителем.

В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения.
Напряжение питания компаратора может быть 5 – 36 вольт одно-полярного (или сумма двух-полярного) напряжения.

Процессы переключения компараторов

Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый "дребезг").
Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС.
Её можно так же ввести в схему компаратора при необходимости, например, как изображено на рисунке ниже.

Обозначение компаратора на схеме

Рисунок 3.
Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).

На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б).
Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;

Обозначение компаратора на схеме

Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью "дребезг" выходного напряжения.

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компаратор с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

Обозначение компаратора на схеме

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
  • Диапазон напряжения питания.
  • Диапазон входных напряжений.
  • Максимальный ток на выходе компаратора.
  • Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

Обозначение компаратора на схеме

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Обозначение компаратора на схеме

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

Читать также:  Лазерная гравировка на металле своими руками

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Обозначение компаратора на схеме

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием.

Обозначение компаратора на схеме

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Обозначение компаратора на схеме

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock detector