Перейти к содержанию

Компаратор с гистерезисом на входе микроконтроллера

Медленный аналоговый сигнал с шумом нельзя подавать прямо на цифровой вход: около порога вывод будет переключаться десятки раз. Компаратор с положительной обратной связью даёт два порога — при росте и при спаде сигнала — и одно чистое переключение. Разбираем схему на LM393 с питанием 5 В и выходом на микроконтроллер с питанием 3,3 В.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Компаратор с гистерезисом — это компаратор, часть выходного напряжения которого через резистор возвращается на неинвертирующий вход. Порог тогда зависит от состояния выхода: пока сигнал ниже порога, порог сдвинут вверх, после переключения — вниз. Шум, меньший разности порогов, больше не вызывает дребезга (Microchip DS41215C, TIP #3). Как устроен сам компаратор — в статье «Компаратор напряжения».

Коротко

Компаратор
LM393, питание 2–30 В
Выход
открытый коллектор, до 36 В
Синфазный диапазон
0…VCC − 1,5 В (VCC − 2 В по температуре)
Пример: пороги
2,0 и 1,8 В, гистерезис 0,2 В
Смещение и входной ток
до 5 мВ и 250 нА
Время отклика
1,3 мкс тип.

Зачем гистерезис

Медленный сигнал с шумом: выход без гистерезиса и с гистерезисомВерхний график — медленно растущее напряжение с шумом, пунктиром показан порог 1,9 В без гистерезиса и пороги 2,0 и 1,8 В с гистерезисом. Средний — выход компаратора без гистерезиса: в зоне порога он переключается несколько раз. Нижний — выход с гистерезисом: одно переключение.2,0 В1,9 В1,8 ВUвхбезгистер.сгистер.высокий уровень — Uвх ниже порога (инвертирующая схема)

Сигнал датчика температуры, освещённости или напряжения батареи меняется медленно, а шум на нём — быстрый. Пока сигнал проходит мимо единственного порога, шум много раз переводит его то выше, то ниже, и выход компаратора повторяет каждое пересечение — микроконтроллер видит пачку ложных фронтов. С двумя порогами выход переключается при росте на верхнем пороге, а обратно — только когда сигнал опустится ниже нижнего.

Схема

Компаратор LM393 с гистерезисом на входе микроконтроллераВходной сигнал подан на инвертирующий вход компаратора LM393. Неинвертирующий вход подключён к делителю R1 16 кОм от плюса 5 В и R2 10 кОм на общий провод и через резистор R3 91 кОм к выходу. Выход с открытым коллектором подтянут резистором R4 10 кОм к питанию микроконтроллера 3,3 В и соединён с его входом. Компаратор питается от 5 В. Пороги 2,0 В при росте и 1,8 В при спаде входного сигнала.+5 В8 VCC4 GNDUвх2 IN−R116 кОм3 IN+R210 кОмR391 кОм−+DA1½ LM3931 OUTR410 кОм+3,3 ВМК, 3,3 ВвходПорог при росте 2,0 В, при спаде 1,8 В; гистерезис 0,2 ВUвх выше 2,0 В — на входе МК 0; ниже 1,8 В — 1

Сигнал подан на инвертирующий вход, на неинвертирующий — делитель R1–R2 от 5 В и обратная связь R3 с выхода. Это инвертирующая схема: при росте сигнала выше 2,0 В на входе микроконтроллера появляется ноль, при спаде ниже 1,8 В — единица. Если нужна прямая логика, инверсию делают программно или берут неинвертирующую схему: сигнал через резистор на неинвертирующий вход, опорный делитель — на инвертирующий (TI SBOA313A).

Выход LM393 — открытый коллектор (SLCS005AH): транзистор выхода только замыкает линию на общий провод, а высокий уровень создаёт подтяжка R4. Подтяжка к 3,3 В — питанию микроконтроллера — заменяет согласование уровней: компаратор питается от 5 В, а на вход микроконтроллера никогда не попадёт больше 3,3 В. Выход версий без суффикса B выдерживает до 36 В, так что подтянуть его можно и к другому напряжению.

Расчёт

Задача: пороги 2,0 В при росте и 1,8 В при спаде, компаратор от 5 В, подтяжка 10 кОм к 3,3 В, R2 = 10 кОм.

  1. Средний порог и делитель. Без обратной связи порог задаёт делитель R1–R2. Microchip в TIP #3 (уравнения 3-1…3-5) выводит R1 и R3 для двухтактного выхода с размахом от нуля до питания.
  2. Поправка на открытый коллектор. В единице ток в R3 идёт от 3,3 В через подтяжку R4, то есть R4 включён последовательно с R3, а уровень единицы — не 5 В, а 3,3 В. TI в SNOA997A записывает пороги через уравнения Кирхгофа для узла неинвертирующего входа и решает их относительно резистора обратной связи (шаги 3–5).
  3. Номиналы. Калькулятор ниже решает те же уравнения и подбирает из ряда E24: R1 = 16 кОм, R3 = 91 кОм. С ними пороги 2,00 и 1,80 В, гистерезис 0,20 В. В единице выход нагружен цепью обратной связи и опускается с 3,3 до 3,17 В.
  4. Ток выхода в нуле — около 0,35 мА: подтяжка плюс обратная связь. LM393 гарантирует VOL не больше 400 мВ при 4 мА (табл. 5.8), при токе в десять раз меньше остаток напряжения ещё меньше. Если всё же подставить 0,4 В вместо нуля, нижний порог поднимется примерно на 25 мВ — до 1,83 В.
  5. Погрешности. Входной ток LM393 — до 250 нА (вытекает из входов), на эквивалентном сопротивлении узла IN+ он сдвигает пороги в одну сторону — вверх, до 1,5 мВ (плюс падение на сопротивлении источника сигнала со стороны IN−); смещение нуля — до 5 мВ при 25 °C. Гистерезис 200 мВ с запасом больше обоих.

Калькулятор открыт с этим примером — меняйте пороги и номиналы под свой датчик:

Исходные данные

Схема
Выход компаратора
В
В

питание R1

В
кОм
В
Что считать
В
В
кОм

задаёте сами

нА

0 — не учитывать; у LM393 до 250 нА при 25 °C

Результат

R1 (Uоп → +)
16 кОм
расчётное 16 кОм
R3 (выход → +)
91 кОм
расчётное 91,5 кОм
Верхний порог с номиналами ряда
2 В
Нижний порог с номиналами ряда
1,8 В
Гистерезис VTH − VTL
201 мВ
Середина порогов
1,9 В
Единица на выходе
3,17 Вподтяжка, нагруженная цепью обратной связи, в момент переключения
Ток выхода в единице / в нуле
12,8 мкА / 350 мкАв нуле — вместе с током подтяжки
Ток делителя
200 мкА
Оценка сдвига порогов от входного тока
до 1,45 мВоценка калькулятора, не из документов: ток входа на сопротивление, которое он видит

Выход переходит в ноль, когда вход поднимется выше VTH, и в единицу — когда опустится ниже VTL.

Схема с номиналами

Инвертирующий компаратор с гистерезисомВход подан на инвертирующий вход компаратора. Неинвертирующий вход подключён к делителю: R1 16 кОм от опорного напряжения 5 В и R2 10 кОм на общий провод; резистор R3 91 кОм соединяет выход с неинвертирующим входом. Выход с открытым коллектором или стоком подтянут резистором 10 кОм к 3,3 В.Uоп 5 ВR116 кОмR210 кОмВходR391 кОм+−ВыходUподт 3,3 ВRподт10 кОмоткрытый коллектор/сток

Передаточная характеристика

Передаточная характеристика инвертирующего компаратора с гистерезисомПри росте входного напряжения выход переключается на пороге 2 В, при снижении — на пороге 1,8 В; уровни выхода 0 В и 3,17 В.UвхUвых3,17 В0 ВVTL 1,8 ВVTH 2 В

Ограничения LM393

Синфазный диапазон. Входы работают от 0 до VCC − 1,5 В при 25 °C и до VCC − 2 В во всём диапазоне температур (табл. 5.8). При питании 5 В это 3,5 и 3 В, поэтому пороги в примере — около 2 В. TI оговаривает, что в диапазоне достаточно держать один вход: другой может доходить до напряжения питания, и компаратор останется исправным (примечание 2 к табл. 5.8). Ниже общего провода входы опускать нельзя: допускается не больше −0,3 В.

Скорость. Время отклика — 1,3 мкс при перевозбуждении 5 мВ и 0,3 мкс при перепаде логического уровня (табл. 5.11). Для датчиков этого хватает с огромным запасом. Фронт нарастания на выходе задают подтяжка и ёмкость линии: чем больше R4, тем медленнее фронт.

Корпус. В LM393 два компаратора с общим питанием, второй можно использовать для другого сигнала или оконной схемы. Четыре таких компаратора — в LM339 (SLCS006Z).

Детали

ПозицияДетальПримечание
DA1LM393или половина LM339
R116 кОмделитель порога
R210 кОмделитель порога
R391 кОмобратная связь, задаёт гистерезис
R410 кОмподтяжка к 3,3 В

Варианты

  • Без компаратора. У многих микроконтроллеров есть встроенный компаратор или вход с триггером Шмитта. Гистерезис встроенного триггера фиксирован и мал; если шум больше, нужна внешняя схема.
  • Неинвертирующая схема — сигнал через резистор на неинвертирующий вход, обратная связь с выхода на тот же вход, опорный делитель на инвертирующем входе (TI SBOA313A). Её входное сопротивление ниже: источник сигнала нагружен цепью обратной связи.
  • На операционном усилителе гистерезис делают так же, но ОУ медленнее выходит из насыщения, а его выход двухтактный — в расчёт подставляют реальные уровни VOH и VOL.
  • Оконный компаратор — два компаратора LM393 с разными порогами и общей подтяжкой: выход в единице, только пока сигнал между порогами (Microchip DS41215C, TIP #5).
  • Без внешнего компаратора, через АЦП — сигнал на делитель для АЦП, а гистерезис в программе.

Почему не работает

  • Выход всё равно дребезжит. Гистерезис меньше шума — увеличьте R1 ∥ R2 относительно R3 (уменьшите R3) или добавьте фильтр RC на входе.
  • На входе микроконтроллера всегда ноль. Нет подтяжки: открытый коллектор сам единицу не выдаёт.
  • Пороги заметно отличаются от расчётных. Не учтена подтяжка последовательно с R3 или уровень единицы взят равным питанию компаратора, а не напряжению подтяжки.
  • Компаратор переключается неправильно при сигнале около питания. Оба входа вышли из синфазного диапазона — опустите опорный делитель ниже VCC − 2 В.
  • Выход «зависает» при отрицательном сигнале на входе. Вход ушёл ниже −0,3 В: поставьте последовательный резистор и диод на общий провод.

Частые вопросы

Как подключить LM393 к микроконтроллеру на 3,3 В, если компаратор питается от 5 В?

Через подтягивающий резистор к питанию микроконтроллера. Выход LM393 — открытый коллектор: он только замыкает линию на общий провод, а высокий уровень создаёт подтяжка. Подтяните выход к 3,3 В — тогда напряжение на входе микроконтроллера не превысит его питания, а питание компаратора может быть любым в пределах 2–30 В.

Как рассчитать резисторы для гистерезиса?

Делитель R1–R2 задаёт средний порог, резистор R3 с выхода на неинвертирующий вход сдвигает его вверх, когда выход в единице, и вниз, когда в нуле. Microchip в TIP #3 даёт формулы для двухтактного выхода, TI в SNOA997A — для открытого стока, где подтяжка включается последовательно с R3. Встроенный на странице калькулятор считает оба случая и подбирает номиналы из ряда E24.

Почему LM393 переключается неправильно при входном напряжении около 4 В от питания 5 В?

Синфазный диапазон LM393 — от 0 до VCC − 1,5 В при 25 °C и до VCC − 2 В во всём диапазоне температур. При 5 В это 3,5 и 3 В. Если оба входа выше, выход не определён. TI допускает, чтобы в диапазоне был хотя бы один вход: делитель на неинвертирующем входе держите ниже 3 В, тогда сигнал на другом входе может доходить до напряжения питания.

Какой гистерезис выбрать?

Больше размаха шума плюс смещение нуля компаратора. У LM393 смещение до 5 мВ и сдвиг от входного тока — единицы милливольт, поэтому гистерезис меньше 20–30 мВ мало что даёт. Для медленных сигналов датчиков берут сотни милливольт: в примере на странице — 0,2 В.

Источники

  1. Texas Instruments. LM393B, LM2903B, LM193, LM293, LM293A, LM393, LM393A, LM2903, LM2903V Dual Comparators (SLCS005AH, revised April 2025) — разд. 4 — выводы: 1 OUT1, 2 IN1−, 3 IN1+, 4 GND, 8 VCC; разд. 5.1 — выход до 36 В у версий без B, вход не ниже −0,3 В; разд. 5.2 — питание 2–30 В; разд. 5.8 — LM393: смещение до 5 мВ, входной ток до 250 нА, синфазный диапазон 0…VCC − 1,5 В и 0…VCC − 2 В во всём диапазоне температур, VOL 130 и до 400 мВ при 4 мА, втекающий ток от 6 мА при 1,5 В, ток утечки выхода; примечание 2 — достаточно одного входа в синфазном диапазоне; разд. 5.11 — время отклика 1,3 мкс
  2. Texas Instruments. LM339B, LM2901B, LM339, LM239, LM139, LM2901 Quad Differential Comparators (SLCS006Z, revised May 2025) — с. 1 — четыре компаратора в корпусе с 14 выводами, синфазный диапазон включает общий провод
  3. Microchip. Comparator Tips 'n Tricks (DS41215C, 2007) — TIP #3, рис. 3-1, уравнения 3-1…3-5 — дребезг около порога, гистерезис положительной обратной связью, расчёт делителя и резистора обратной связи
  4. Texas Instruments. Inverting Comparator With Hysteresis Circuit (SNOA997A, revised August 2019) — шаги 3–5 — пороги инвертирующей схемы с открытым стоком: подтяжка включена последовательно с резистором обратной связи
  5. Texas Instruments. Non-Inverting Comparator with Hysteresis Circuit (SBOA313A, revised August 2019) — неинвертирующая схема: пороги при нуле и единице на выходе, опорный делитель на инвертирующем входе

Нашли ошибку?

Смотрите также