Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта

31/07/2011 - 19:08

   Аналоговый компаратор

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой -  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  


   Разберем, как работает эта схема. 
Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:
 
Uout = (Uin1 – Uin2)*G
 
   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.
 
   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель - LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.
   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта. 

 
 
 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.
 
1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ
  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 
 
2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ
  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В
 
   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation - насыщение). 
   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1..2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания. Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка. Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.
 
С учетом выше сказанного:
 
1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В
2)Uout = ~0 В
 
   То есть пока входной сигнал меньше опорного - на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю. 

 
   Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.

 
 
   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 
 
 
 
   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  

   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.
 

Триггер Шмитта

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 
 
Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 
Разберемся, как она работает. 
   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 
   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.
 
1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В
 
2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В
 
   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит. Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 
    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 
     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.
 
 
   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

 
  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории. 
   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.
 
 
 
Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  
 
Uht = +Usat*R2/(R2+R1)
Uht = -Usat*R2/(R2+R1)
 
 
 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором. Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 
 
   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.



   Теперь о недостатках схемы.
   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  
   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

Комментарии   

# igor727 31.07.2011 20:26
Хорошая статья! Совсем недавно приходилось выделять компаратором сигнал команд управления на выходе м/с приемника MC3361. Схему сравнения тоже сделал с гистерезисом. Входным сигналом компаратора был сигнал с выхода MC3361, а опорным тот же выходной сигнал но пропущенный через RC цепочку с большой постоянной времени. Полчилось так, что компаратор срабатывал только на резко изменяющиеся перепады выходного напряжения, каковыми были принимаемые двоичные коды. Павел, схема и моделирование в Altium ?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 31.07.2011 20:38
Схемы - Eagle CAD. Графики - маткад + фотошоп.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Mih 01.08.2011 04:35
Несмотря на то, что статья рассчитана на начинающих, надо сказать несколько слов об неидеальности этого мира :-).
1. ОУ, как правило, медленнее чем цифровые элементы. Более того, из-за работы в насыщении скорость переключения еще более замедлится.
2. Наличие напряжения смещения в реальном оу.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Alexandr S 01.08.2011 05:38
На самом деле, при наличии ни к чему не обязывающих смд-конденсатор ов на ножках питания, напряжения смещения не наблюдается. По крайней мере для импортных ОУ. 140уд1 в расчет вообще не беру.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 01.08.2011 18:39
Да, есть некоторые недостатки
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Union 11.08.2011 13:49
Спасибо за статью! Pashgan, если не сложно, нарисуйте схему как будет выглядеть «неинвертирующа я версия» с однополярным источником
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Coxy 26.01.2012 15:25
На графике амплитуда полвольта, а говорите 1 и в расчетах тоже 1, где правда?или мб я тупой?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Vladimir Nikolaevich 04.03.2012 17:33
Статья написана доступным языком.Объяснен о на конкретных примерах реальной микросхемы и понятным языком.После прочтения сразу стал понятен принцип работы компаратора.Ком паратор нужен был для разработки металлоискателя для начинающих.Огро мное спасибо за статью!!!
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# nordis 16.12.2012 16:16
А где продолжение?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 17.12.2012 18:54
Вот здесь - Расчет компаратора на операционном усилителе
http://chipenable.ru/index.php/how-connection/item/101-raschet-komparatora-na-operatsionnom-usilitele.html
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Эл. 02.02.2015 08:23
По поводу многократных переключений в простейшей схеме компаратора (схема регулятора освещенности). А если на выходе операционника просто конденсатор влепить? Переключений многократных не будет. Да, изменится динамика схемы, но для медленно действующих устройств, как лампочка -все-равно. Будет такая схема работать?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Sergej 30.03.2015 19:24
Прочитал статью с огромным интересом. Собрал триггер шмитта на LM 311. однополярное питание 5В. Uвых 2В. Можно ли с этой LM получить Uвых 10B? Eсли нет можете подсказать чем можно это заменить?
Заранее благодарен
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить