7.3. Двухпороговые компараторы

Компаратор, в котором напряжение выхода изменяется 2 раза при изменении входного сигнала в определенном диапазоне, называют двухпороговым. Наиболее простой и распространенной схемой является мостовая схема (рис. 7.6, а).

а б

Рис. 7.6

Диодный мост включается в цепь обратной связи. Как только входной ток I_вх1. превысит ток I₂ , отдаваемый в мост цепью смещения, происходит изменение выходного напряжения (рис. 7.6, б). Нижний и верхний уровень входного сигнала определяются выражениями:

, (7.5)

. (7.6)

Точность уровней дискриминации и минимальная ширина окна ограничивается десятками милливольт из-за раброса падения напряжений на открытых диодах. Такая схема имеет температурный дрейф дискриминации порядка единиц милливольт на градус.

Другая разновидность двухпорогового компаратора или компаратор "с окном" фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями U₁ и U₂ или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 7.7, а). Как показано на рис. 7.7, б, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U₁ < Uвх < U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни. Такой компаратор выпускается в виде ИМС А711 (отечественный аналог - 521СА1).

а б

Рис. 7.7

7.4. Регенеративные компараторы

Иногда приходится сравнивать медленно меняющиеся сигналы или очень малые сигналы, в этом случае характеристики компараторов будут в сильной степени зависеть от параметров ОУ. Поэтому для лучшей стабильности схем сравнения используют положительную обратную связь, т.е. регенеративные устройства. Их отличительной особенностью является гистерезис передаточной характеристики. Одна из возможных схем имеет вид ( рис. 7.8).

а б

Рис. 7.8

При близком к нулю или отрицательном напряжении на входе напряжение на выходе положительное, а напряжение на неинвертирующем входе определяет верхний порог переключения. При достижении . ток в цепи стабилитронов становится равным нулю, затем изменяет свое направление, а выходное напряжение изменяет свой знак. На неинвертирующем входе будет напряжение . Для переключения компаратора в обратное состояние сигнал на выходе должен изменятся от до , т.е. на , что и определяет петлю гистерезиса:

. (7.7)

7.5. Применение компараторов

Преобразование напряжений во временной интервал. Для этой цели входное напряжение сравнивается с пилообразным напряжением. Если частота напряжения пилообразной формы будет намного выше частоты сигнала , то в течение одного периода Т значение можно считать практически постоянным. В этом случае длительность τ и скважность Q импульсов будут пропорциональны :

(7.8)

а б

Рис. 7.9

Если заполнить временной интервал импульсами и подсчитать их число, получим устройство типа цифрового вольтметра.

Преобразование напряжения в скважность импульсов используется в аналоговых схемах перемножения время-импульсного типа (рис. 7.9, а). В этой схеме компаратор управляет ключом, на выходе которого в течение времени τ присутствует сигнал , а в промежутке T – τ сигнал отсутствует:

(7.9)

Среднее значение сигнала с ключа, выделяемое фильтром нижних частот (ФНЧ), будет пропорционально произведению напряжений

и . (7.10)

Аналогово - цифровое преобразование. Схема аналого-цифрового преобразователя приведена на рис. 7.10.

Рис. 7.10

С

Рис. 7.11

Рис. 7.12

инхроимпульсы поступают на один из входов счётчика в зависимости от знака разности напряжений “ ” и изменяют его содержание таким образом, что код соответствует напряжению . Преобразователь такого типа – это следящая система с ЦАП в цепи обратной связи, нуль органом её является компаратор.

Используя схему компаратора можно изменить масштаб опорного и входного сигнала (рис. 7.11) в соответствии с выражением:

.

Если заменить в рассмотренной схеме один из резисторов конденсатором, то можно сравнивать скорость нарастания входного сигнала с постоянным уровнем (рис. 7.12):

Заменив и резистор R1 на конденсатор получим схему сравнения скорости изменения двух напряжений (рис. 7.13).

.

Кроме того, компараторы могут применяться для построения схем одновибраторов, мультивибраторов, генераторов, статистической обработки информации и в других устройствах.

Рис. 7.13