9.4. Применение компараторов

В некоторых практических случаях u_вх может очень медленно приближаться к опорному уровню U_оп и фактически останавливаться вблизи него (рис. 9.3). При этом напряжение U_вых может переключаться недостаточно быстро вследствие конечности коэффициента усиления компаратора, что может вызвать нечеткое срабатывание последующих логических схем, тем более, что при таком медленном изменении u_вх около U_оп может появиться так называемый «дребезг», при котором выход компаратора многократно с большой частотой меняет свое состояние под действием шумов и помех.

Для устранения этого явления обычно вводят ПОС, которая обеспечивает переходной характеристики компаратора гистерезис. Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении, но существенно уменьшает или исключает «дребезг» U_вых.

9.4.1. Инвертирующий триггер Шмитта

Триггер Шмитта (рис. 9.4, а) функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения (рис. 9.4, б). Гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается ПОС через делитель напряжения R1, R2. Если к И-входу приложено напряжение , то U_вых = U, при этом на Н-входе потенциал будет составлять .

При увеличении u_вх величина не меняется до тех пор, пока u_вх не достигнет значения . В этот момент происходит переключение компаратора и его выходное напряжение становится равным . При этом потенциал на Н-входе равен . Диаграмма работы инвертирующего триггера Шмитта показана на рис. 9.4, в, из которой видно, что при компаратор нечувствителен к входному сигналу. Значение нижнего и верхнего порога срабатывания выбирают , где U_ш – максимальная амплитуда шума или помехи.

Рис. 1.3. Инвертирующий триггер Шмитта:

схема (а), переходная характеристика с гистерезисом (б), диаграмма работы (в)

9.4.2. Неинвертирующий триггер Шмитта

Схема неинвертирующего триггера Шмитта показана на рис. 9.5, а, а переходная характеристика – на рис. 9.5, б. Здесь напряжение u_вх подается на Н-вход компаратора. Из-за влияния гистерезиса выходное напряжение отстает по фазе от входного (рис. 9.5, в). Если пренебречь входным током и напряжением смещения компаратора, то ток i, протекающий через резисторы R1 и R2, будет одинаков. Учитывая, что в момент переключения напряжения на входах компаратора одинаковы и равны 0, то выражение для тока, протекающего через резисторы, будет следующим: , где U – максимально выходное напряжение компаратора. Как видно из рис. 9.5, в, в момент переключения компаратора из состояния в состояние , .

Следовательно, , откуда . Аналогичные рассуждения справедливы и для нижнего порога переключения: .

Рис. 1.4. Неинвертирующий триггер Шмитта:

схема (а), переходная характеристика с гистерезисом (б), диаграмма работы (в)

9.4.3. Двухпороговый компаратор

Пример реализации такого компаратора показан на рис. 9.6, а. Здесь использованы два компаратора: DA1, DA2 ИС 1401CA1.

Рис. 1.5. Двухпороговый компаратор: схема (а), диаграмма работы (б)

Компараторы имеют выходы с открытым коллектором аналогично компаратору 521СА3. Подключение двух или нескольких выходов с открытым коллектором к общему нагрузочному резистору R4, который через светодиод Н1 подключен к положительному источнику питания Е, реализует операцию логического умножения – «проводное (монтажное) И».

Если , то выходные транзисторы обоих компараторов закрыты и индикатор Н1 не светится. При этом выходное напряжение обоих компараторов . В противном случае ( ) какой-либо из выходных транзисторов компараторов остается открытым и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, при этом Н1 светится (рис. 9.6, б). Значения пороговых напряжений определяется выбором сопротивлений резисторов R1-R3.

Двухпороговый компаратор или «компаратор с окном» фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона.