Перейти к содержанию

Оконный компаратор

Иногда важно не то, выше ли сигнал одного порога, а то, остаётся ли он в разрешённом коридоре. Для этого ставят два компаратора: один следит за верхней границей, другой — за нижней. Вместе они образуют оконный компаратор.

Обновлено Редакция GAW

Оконный компаратор (window comparator) — схема из двух компараторов, которая определяет, находится ли входное напряжение между нижним и верхним порогом. Один компаратор срабатывает, когда сигнал выше верхнего порога, другой — когда ниже нижнего. Microchip в Comparator Tips 'n Tricks (TIP #5) описывает её как сигнализацию выхода за безопасный диапазон: мелкие колебания внутри окна схема игнорирует.

Расчёт порогов

Оба порога даёт один делитель из трёх резисторов: R1 от питания, R2 посередине, R3 к земле. Верхний порог снимают с точки между R1 и R2, нижний — между R2 и R3:

Vверх=VDD⋅R2+R3R1+R2+R3,Vниж=VDD⋅R3R1+R2+R3.V_\text{верх} = V_{DD} \cdot \frac{R_2 + R_3}{R_1 + R_2 + R_3}, \qquad V_\text{ниж} = V_{DD} \cdot \frac{R_3}{R_1 + R_2 + R_3}.

Пример Microchip: при 5,0 В и целевых порогах 2,5 и 2,0 В берут R1 = 12 кОм, R2 = 2,7 кОм, R3 = 10 кОм, и пороги получаются 2,57 и 2,02 В. Сумму резисторов держат от 1 кОм (чтобы делитель не тратил лишний ток) до 1 МОм (чтобы входной ток компаратора не сдвигал пороги — у LM393 он до 250 нА). Подобрать пары резисторов поможет калькулятор делителя напряжения.

Выходы

В схеме Microchip у каждого компаратора свой выход: HIGH LIMIT становится единицей при выходе вверх, LOW LIMIT — при выходе вниз. Если соединить эти два выхода напрямую, внутри окна оба в нуле, и общий сигнал не получится. Поэтому для одного сигнала «в окне» берут компараторы с открытым коллектором, например LM393, и меняют местами входы обоих компараторов, как описано в статье «Компаратор»: теперь каждый отпускает свой выход, пока сигнал внутри своей границы. Выходы соединяют с одним подтягивающим резистором — TI в даташите называет это функцией И: общая линия в единице только внутри окна.

Не путать с компаратором с гистерезисом: у того тоже два порога, но это один компаратор, и пороги зависят от его собственного состояния, а оконный компаратор сравнивает сигнал с двумя независимыми границами. Гистерезис часто добавляют и в оконный — каждому компаратору отдельно. Основы, LM393 и расчёты по шагам — в статье «Компаратор», резисторы гистерезиса считает калькулятор компаратора с гистерезисом.

Частые вопросы

Как рассчитать оконный компаратор?

Делитель из трёх резисторов R1 (к питанию), R2 и R3 (к земле) даёт два порога: верхний VDD·(R2 + R3)/(R1 + R2 + R3) и нижний VDD·R3/(R1 + R2 + R3). В примере Microchip при 5 В резисторы 12 кОм, 2,7 кОм и 10 кОм дают 2,57 и 2,02 В при целевых 2,5 и 2,0 В.

Как получить один выход «сигнал вне окна»?

Взять компараторы с открытым коллектором, например сдвоенный LM393, поменять местами входы обоих компараторов относительно схемы Microchip и соединить выходы с одним подтягивающим резистором. Тогда каждый компаратор отпускает выход, пока сигнал внутри своей границы, и по TI соединённые выходы дают функцию И: линия в единице только внутри окна, а при выходе за любую границу сработавший компаратор тянет её к нулю.

Нужен ли оконному компаратору гистерезис?

Если сигнал медленный и шумный — да, иначе на каждой границе окна выход будет дребезжать. Microchip предлагает добавить гистерезис каждому компаратору отдельно по методике TIP #3 — резистором положительной обратной связи.

Источники

  1. Microchip. Comparator Tips 'n Tricks (DS41215C), TIP #5 Window Comparison — TIP #5: два компаратора и три резистора, выходы HIGH LIMIT и LOW LIMIT активны высоким уровнем; уравнения 5-1, 5-2: VTH-HI = VDD·(R2 + R3)/(R1 + R2 + R3), VTH-LO = VDD·R3/(R1 + R2 + R3); пример VDD 5,0 В, пороги 2,5 и 2,0 В, R1 12 кОм, R2 2,7 кОм, R3 10 кОм → 2,57 и 2,02 В; сумма резисторов от 1 кОм до 1 МОм; гистерезис добавляется по TIP #3
  2. Texas Instruments. LM393B, LM2903B, LM193, LM293, LM393 and LM2903 Dual Comparators (SLCS005AH, 2025) — выходы с открытым коллектором позволяют получить функцию И при соединении нескольких выходов; входной ток смещения −25 нА тип., −250 нА макс. при 25 °C

Нашли ошибку?

Смотрите также