Компаратор напряжения

Как работает компаратор

Внутри компаратор похож на операционный усилитель без обратной связи: огромный коэффициент усиления разности входных напряжений. У LM393 он не меньше 50 В/мВ при питании 15 В (DS0443, табл. 3), поэтому разности в доли милливольта хватает, чтобы выход ушёл в одно из двух крайних состояний. Опорное напряжение (порог) подают на один вход — от делителя, стабилитрона, источника опорного напряжения или ЦАП, — а измеряемое на другой.

Какой вход взять для сигнала, решает нужная логика. Сигнал на неинвертирующем входе даёт единицу, когда он выше порога; сигнал на инвертирующем — единицу, когда он ниже порога. Компаратор — сердце АЦП последовательного приближения: там он на каждом шаге сравнивает вход с напряжением внутреннего ЦАП.

Компаратор или операционный усилитель

Схематически они рисуются одинаково, но задачи у них разные. ОУ рассчитан на работу с отрицательной обратной связью, когда выход находится в линейной области; в роли компаратора он постоянно насыщен, может медленно выходить из насыщения, а его выходные уровни не обязательно совпадают с логическими. Компаратор сделан для работы без обратной связи: выход быстро переключается и согласован с логикой. У LM393 диапазон дифференциального входного напряжения равен напряжению питания (DS0443, «Features»), так что входы можно разводить на любую разность в пределах питания.

Выход: открытый коллектор

У LM393 и многих других компараторов выход — открытый коллектор: выходной NPN-транзистор либо тянет вывод к общему проводу, либо закрыт и «отпускает» его. Логическую единицу создаёт внешний подтягивающий резистор.

У такого выхода два полезных свойства. Подтягивающий резистор можно подключить к любому напряжению — например, к 3,3 В микроконтроллера, хотя компаратор питается от 12 В: так компаратор заодно согласует уровни. И выходы нескольких компараторов можно соединить вместе с одним резистором: линия будет в единице, только пока её отпустили все.

Цена — несимметричные фронты: вниз выход тянет транзистор, а вверх — только резистор, заряжая ёмкость линии. Чем больше сопротивление подтяжки, тем меньше ток в нуле и тем медленнее фронт; время отклика в даташите LM393 измерено с нагрузкой 5,1 кОм к плюсу питания (DS0443, табл. 3). Компараторы с двухтактным (push-pull) выходом сами выдают и ноль, и единицу, и подтяжка им не нужна. У встроенных компараторов микроконтроллеров выход и вовсе внутренний: бит в регистре и сигнал для таймеров и прерываний.

Параметры компаратора на примере LM393

LM393 — сдвоенный компаратор, один из самых распространённых. Параметры при питании 5 В и 25 °C (DS0443 Rev 17, табл. 2 и 3):

Время отклика сильно зависит от того, насколько сигнал перешёл порог: при превышении всего на 5 мВ LM393 переключается за 1,3 мкс, а при большем — примерно за 300 нс (DS0443, примечание 4 к табл. 3). Синфазный диапазон важен при питании от 5 В: оба входа LM393 должны быть не выше 3,5 В. Если один вход остаётся в синфазном диапазоне, другой может подниматься и выше питания — выход всё равно будет правильным; ниже −0,3 В входы опускать нельзя (примечание 3).

Сам LM393 рассчитан на температуру 0…70 °C. Для промышленного диапазона в том же даташите есть LM293 (−40…105 °C) и LM193 (−55…125 °C) (DS0443, табл. 2).

Гистерезис

Если входное напряжение медленно проходит через порог, шум на входе — наводки, пульсации питания, помехи от переключений цифровой части — несколько раз переводит его через порог туда и обратно. Выход в этот момент «дребезжит» (chatter): вместо одного фронта получается пачка, и микроконтроллер считает лишние события. Лечится это гистерезисом: часть выходного напряжения через резистор возвращается на неинвертирующий вход, и порог сдвигается вслед за выходом (Microchip DS41215C, TIP #3).

Пока выход в единице, порог поднят до V_TH; когда вход его превысит, выход переключится в ноль, и порог опустится до V_TL. Обратно выход вернётся, только когда вход опустится ниже V_TL. Если разница порогов больше размаха шума, на каждое пересечение приходится ровно одно переключение. Такую схему называют ещё триггером Шмитта.

Расчёт резисторов

Схема из DS41215C: сигнал подан на инвертирующий вход, делитель R1–R2 задаёт средний порог, а резистор R3 от выхода сдвигает его вверх или вниз. Расчёт предполагает, что выход переключается между 0 и V_DD.

Расчёт по шагам (DS41215C, уравнения 3-1…3-5). Сначала выбирают пороги V_TH и V_TL так, чтобы разница между ними была больше шума, и находят средний порог:

Затем подбирают делитель, который его даёт, и считают его эквивалентное сопротивление:

Наконец, отношение делителя обратной связи DR и резистор R3:

Пример из DS41215C. V_DD = 5 В, нужны пороги 3,0 и 2,5 В.

1. V_AVG = 5 · 2,5 / (5 − 3 + 2,5) = 2,78 В.
2. Ближайший делитель из стандартных номиналов: R1 = 8,2 кОм, R2 = 10 кОм, он даёт 5 · 10 / 18,2 = 2,75 В. Подобрать пару номиналов помогает калькулятор делителя напряжения.
3. R_EQ = 8,2 · 10 / 18,2 = 4,5 кОм.
4. DR = (3,0 − 2,5) / 5 = 0,1.
5. R3 = 4,5 · (1/0,1 − 1) = 40,5 кОм → ближайший номинал ряда E24 39 кОм.

С выбранными номиналами пороги получаются 2,98 и 2,46 В. Это легко проверить делителем: когда выход в единице, R3 подключён к V_DD параллельно R1, а когда в нуле — к общему проводу параллельно R2:

R1 ∥ R3 = 6,78 кОм, V_TH = 5 · 10 / 16,78 = 2,98 В; R2 ∥ R3 = 7,96 кОм, V_TL = 5 · 7,96 / 16,16 = 2,46 В.

Рекомендации DS41215C по номиналам: через R1 и R2 постоянно течёт ток, поэтому их сумму берут не меньше 1 кОм; но и не больше 10 кОм, чтобы R3 не получился слишком большим. При R3 от 100 кОм до 10 МОм входной ток компаратора, протекая через резисторы, сдвигает пороги.

Выход с открытым коллектором. Если компаратор вроде LM393 и единицу даёт подтягивающий резистор, в состоянии «1» он оказывается последовательно с R3. Его берут намного меньше R3 или прибавляют к R3 при расчёте верхнего порога.

У встроенных компараторов гистерезис часто программируется: у STM32F0 его включают битами в регистре — об этом ниже.

Оконный компаратор

Чтобы узнать, находится ли напряжение внутри окна — например, напряжение аккумулятора в допустимых пределах, — нужны два компаратора и делитель из трёх резисторов (DS41215C, TIP #5). Делитель задаёт верхнюю границу V_H и нижнюю V_L; верхний компаратор выдаёт единицу, когда вход выше окна, нижний — когда ниже.

Пока вход внутри окна, оба выхода в нуле. Выходы подают на два входа микроконтроллера и различают «выше» и «ниже». Если же нужен один сигнал «в окне», у LM393 меняют местами входы обоих компараторов: тогда каждый отпускает свой выход, пока вход внутри окна, и соединённые вместе выходы с одним подтягивающим резистором дают единицу только внутри окна. В STM32F0 для окна есть оконный режим: бит WNDWEN соединяет неинвертирующие входы COMP1 и COMP2, так что сигнал подают на один вывод (RM0091, разд. 15.5.1).

Компаратор в микроконтроллере

Встроенный компаратор работает без процессора и без АЦП: он сравнивает напряжения непрерывно и может сразу вызвать прерывание, запустить захват таймера или выключить ШИМ.

ATmega328P (Arduino Uno)

Аналоговый компаратор ATmega328P сравнивает вывод AIN0 (неинвертирующий вход, PD6 — D6 на Arduino Uno) с выводом AIN1 (инвертирующий, PD7 — D7). Когда AIN0 выше AIN1, бит ACO в регистре ACSR равен единице (DS40002061B, разд. 23). Возможности:

• ACBG — вместо AIN0 на неинвертирующий вход подаётся внутреннее опорное напряжение 1,1 В (по табл. 29-11 — от 1,0 до 1,2 В, время установления до 70 мкс).
• ACME в регистре ADCSRB при выключенном АЦП (ADEN = 0) подключает к инвертирующему входу любой из выводов ADC0–ADC7 через мультиплексор АЦП.
• ACIS1:0 выбирают прерывание: по любому изменению выхода (00), по спаду (10) или по фронту (11).
• ACIC соединяет выход компаратора с захватом таймера 1 — так измеряют время между пересечениями порога.
• DIDR1 отключает цифровые входные буферы на AIN0 и AIN1, чтобы аналоговый сигнал не вызывал лишнего потребления.

Выход синхронизируется с тактовой частотой, что добавляет задержку в 1–2 такта. В таблице 30-1 (исполнение до 105 °C) смещение компаратора — до 40 мВ при питании 5 В и входах около V_CC/2, задержка — 750 нс при 2,7 В и 500 нс при 4 В. Встроенного гистерезиса в разделе 23 нет: при медленном шумном сигнале его добавляют резистором, как в схеме выше.

Пример: прерывание, когда напряжение на D7 опускается ниже 1,1 В (например, напряжение аккумулятора через делитель):

volatile bool fell = false;

ISR(ANALOG_COMP_vect) {
  fell = true;
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  DIDR1 = (1 << AIN1D) | (1 << AIN0D);              // no digital input buffers on D7, D6
  ACSR = (1 << ACBG) | (1 << ACIS1) | (1 << ACIS0);  // + input: 1.1 V bandgap; irq on rising ACO
  delay(1);                                          // bandgap start-up: up to 70 us
  ACSR |= (1 << ACI);                                // clear a stale flag
  ACSR |= (1 << ACIE);                               // enable the interrupt
}

void loop() {
  if (fell) {
    fell = false;
    Serial.println(F("D7 < 1.1 V"));                 // ACO rose: 1.1 V > D7
  }
}

Режим прерывания (ACIS1:0) меняют при выключенном ACIE, иначе смена битов сама может вызвать прерывание (DS40002061B, разд. 23.3.2) — поэтому ACIE включается последним.

STM32F0

Компараторы есть только у STM32F05x, F07x и F09x: два компаратора COMP1 и COMP2 класса rail-to-rail (RM0091, разд. 15). У STM32F030 и F031 их нет — это стоит проверить до выбора микросхемы, например в атласе распиновок STM32.

• Инвертирующий вход — 1/4, 1/2, 3/4 или всё внутреннее опорное напряжение V_REFINT, выход ЦАП (PA4, PA5) или вывод (PA0 у COMP1, PA2 у COMP2). Неинвертирующие входы — PA1 и PA3.
• Гистерезис — выключен, малый, средний или большой (биты COMPxHYST).
• Режим питания — от «высокая скорость» до «сверхмалое потребление»: скорость против тока.
• Выход — на вывод и одновременно на входы таймеров TIM1, TIM2, TIM3: аварийное отключение ШИМ через вход break TIM1, поцикловое ограничение тока через OCREF_CLR, захват.
• Работа в Stop — выход через EXTI будит микроконтроллер; бит LOCK защищает настройки от случайной записи до сброса.

Характеристики STM32F072 (DS9826 Rev 6, табл. 61):

Гистерезис в режиме высокой скорости: малый — 8 мВ (3–13 мВ), средний — 15 мВ (7–26 мВ), большой — 31 мВ (18–49 мВ); смещение — ±4 мВ тип., ±10 мВ макс.

Пример для STM32F072 на регистрах CMSIS: COMP1 сравнивает PA1 с половиной V_REFINT, со средним гистерезисом, и при превышении останавливает ШИМ таймера TIM1 через вход break:

#include "stm32f0xx.h"

void comp1_init(void) {
  RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_GPIOAEN;
  RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_SYSCFGCOMPEN;     // COMP shares its clock enable with SYSCFG
  GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER1;            // PA1 in analog mode
  COMP12_COMMON->CSR = COMP_CSR_COMP1INSEL_0    // 001: inverting input = 1/2 VREFINT
                     | COMP_CSR_COMP1OUTSEL_0   // 001: output to the TIM1 break input
                     | COMP_CSR_COMP1HYST_1     // 10: medium hysteresis
                     | COMP_CSR_COMP1EN;        // COMP1MODE = 00: high speed
}

Чтобы вход break сработал, его включают в самом таймере (бит BKE в TIM1_BDTR).

Типичные ошибки

• Нет подтягивающего резистора. Выход с открытым коллектором без подтяжки никогда не показывает единицу — вход микроконтроллера «висит».
• Вход вне синфазного диапазона. У LM393 при питании 5 В оба входа выше 3,5 В — результат не гарантирован. Порог берут ниже или повышают питание компаратора.
• Нет гистерезиса на медленном сигнале. Датчик температуры, фоторезистор, напряжение аккумулятора меняются медленно — без гистерезиса прерывание сработает пачкой.
• Отрицательное напряжение на входе. Ниже −0,3 В входы LM393 опускать нельзя; от переменного сигнала вход защищают резистором и диодом или смещают сигнал вверх.
• LM393 на морозе. Его диапазон 0…70 °C; для улицы нужен LM293 или LM193.
• Порог в милливольтах без учёта смещения. Смещение ±5 мВ у LM393 и до 40 мВ у компаратора ATmega328P сопоставимо с маленьким порогом — для слабых сигналов нужен усилитель перед компаратором или компаратор с меньшим смещением.