Компараторы. 
Системы автоматического управления высшей точности

Компараторы преобразуют аналоговый сигнал в дискретный, их можно считать одноразрядным АЦП. Это ОУ без обратной связи с преобразователем уровня выходного сигнала. Они имеют дифференциальный вход и один или два противофазных выхода. На выходах формируются сигналы логического уровня (транзисторно-транзисторной логики — ТТЛ, комплиментарной «метал-оксид-полупроводник» логики — КМОП или эмиттерно-связанной логики — ЭСЛ):

Можно подавать изменяющиеся напряжения U₁ и U₂ на оба входа.

Результат работы идеального компаратора при поступлении на его вход гармонического сигнала показан на рис. 5.1. На выходе такого компаратора в идеальном случае формируются прямоугольные импульсы, начало которых строго совпадает с моментом пересечения входным сигналом опорного уровня (в данном случае нулевого), а конец их — с обратным пересечением.

Рис. 5.1. Моделирование в программе VisSim работы компаратора при идеальном гармоническом сигнале на его входе.

Язык и программная среда VisSim были разработаны американской компанией Visual Solutions и широко используются в разработке систем управления и цифровой обработки сигналов для моделирования и дизайна. В 2014 г. компания Visual Solutions была приобретена корпорацией Altair Engineering, Inc., и теперь VisSim, переименованный в solidThinking Embed, входит в состав пакета Model Based Development Suite. Корпорация Altair Engineering в рамках своей академической программы предоставляет студентам вузов бесплатную индивидуальную годовую лицензию на полнофункциональную версию данного продукта.

Основными параметрами компаратора являются [5—15]:

• 1) погрешность 17_вх мин, с которой компаратор может различать входные сигналы по разным входам;
• 2) быстродействие Г_здр — скорость отклика, определяемая задержкой срабатывания и временем нарастания сигнала;
• 3) нагрузочная способность /$_ых — способность управлять определенным числом входов цифровых микросхем.

Применительно к погрешности по п. 1 в литературе встречается термин «чувствительность». Этот термин можно оспорить. Под чувствительностью следует понимать такую числовую характеристику, которая тем больше, чем лучше это свойство. Это же относится к понятию «точность». Если чувствительностью назвать погрешность, то, например, увеличение этой величины вдвое должно означать увеличение чувствительности компаратора вдвое.

Особенности применения компараторов представлены ниже.

1. Идеальный компаратор реагирует на сколь угодно малые отличия входных сигналов, т. е. не имеет гистерезиса. Поскольку дифференциальный сигнал на входе в момент срабатывания приближается к нулю с ограниченной скоростью, наличие ВЧ-шума приводит к многократным пересечениям сигналом нулевого уровня и к множеству срабатываний. В результате выходной импульс начинается серией коротких импульсов, которые трудно выявить на осциллографе. Они могут быть ложно сосчитаны счетчиком при дальнейшей обработке. Иногда это усугубляется особенностями компаратора. В момент срабатывания входное сопротивление изменяется скачком, что уменьшает напряжение на входе, в результате происходит обратное срабатывание и увеличение входного сопротивления и т. д. При медленном изменении входного сигнала на выходе наблюдается ВЧ-серия срабатываний компаратора.

На рис. 5.2 показан пример работы компаратора при наличии шумов во входном сигнале.

Рис. 5.2. Моделирование в программе VisSim работы компаратора при зашумленном гармоническом сигнале на его входе.

Аналогичное явление происходит даже при идеальном с виду сигнале (т.е. сигнале, шумы в котором составляют не более 1%) при использовании компараторов с большим входным током. Это явление проявляется сильнее при медленном нарастании входного сигнала, поэтому не рекомендуются использовать компараторы с большим входным током. Если они применяются, следует использовать меры против этого явления:

• — уменьшение выходного сопротивления источников сигналов по обоим входам (например, применение повторителей);
• — увеличение амплитуды входных сигналов (для увеличения скорости нарастания сигнала вблизи нулевого значения);
• — введение гистерезиса.
• 2. Часто выходной каскад компаратора выполнен в виде транзистора с открытым коллектором. Такой выход следует подключать через резистор на источник положительного питания (+5 В для ТТЛ или + 9 В для КМОП-микросхем), как показано на рис. 5.3. Допускается объединение таких выходов в монтажное «И», т. е. два коллектора можно объединять на общую коллекторную нагрузку. Все же желательно все логические операции выполнять на чисто цифровой технике. Иногда эмиттер выходного транзистора соединен только с внешним выводом микросхемы, его следует соединять с общей шиной (кроме случаев ЭСЛ-логики, см. ниже, п. 3).

Рис. 5.3. Принципиальная схема добавления коллекторной нагрузки на выходе компаратора

Рис. 5.4. Принципиальная схема включения эмиттерной нагрузки на выходе компаратора.

• 3. Компараторы, созданные по ЭСЛ-технологии, порой требуют подключения эмиттерной нагрузки на выходе, как все элементы ЭСЛсерии (рис. 5.4). Они характеризуются большим быстродействием, но худшей помехоустойчивостью. Для преобразования аналогового сигнала в ЭСЛ-уровни приемник с линии в линейном режиме дает лучшие результаты.
• 4. Коэффициент разветвления компараторов (нагрузочная способность выхода), как правило, не слишком большой (в отношении элементов отечественной электронной техники). Желательно выход компаратора соединять только с одним входом логического элемента, а все разветвления осуществлять с выхода этого элемента.
• 5. При значительной величине входного сигнала влияние нелинейности внутренних цепей приводит к искажению формы выходного сигнала. Желательно ограничить изменения входных сигналов в пределах ±5 В, например резистивным делителем, как показано на рис. 5.5.
• 6. Для введения гистерезиса можно использовать небольшую положительную обратную связь, как показано на рис. 5.6. Компаратор в этом случае превращается в триггер Шмитта. Триггером он становится потому, что его состояние зависит от истории. Под гистерезисом понимают свойство триггера, при котором порог обратного срабатывания ниже порога прямого срабатывания.
• 7. В отличие от ОУ, допускающих варьирование напряжений питания в широких пределах, компараторы требуют достаточно точной установки паспортных значений. Исключением является выходной каскад с открытым коллектором (см. выше).

Рис. 5.5. Принципиальная схема включения резистивного делителя на входе компаратора

Рис. 5.6. Принципиальная схема внесения гистерезиса в компаратор.

Реальные компараторы имеют ограниченное быстродействие и ограниченную чувствительность, поэтому при большой величине сигнала (0,5 В и более) высоком отношении сигнал/шум (более 20) в ряде случаев множества импульсов на выходе компаратора не наблюдается. Однако гарантировать отсутствие умножения количества фронтов никогда нельзя, поэтому если наличие этих импульсов недопустимо, следует контролировать форму и характер фронтов.