Przy projektowaniu obwodów elektronicznych często konieczne jest porównanie poziomu dwóch napięć. W tym celu stosuje się urządzenie, takie jak komparator. Nazwa węzła pochodzi od łacińskiego porównania, a raczej do angielskiego do porównania - do porównania.
Zawartość
Co to jest komparator napięcia
W ogólnym przypadku komparatorem jest urządzenie, które posiada dwa wejścia do dostarczania porównywanych wartości (napięcia) oraz wyjście dla wyniku porównania. Komparator posiada dwa wejścia do podawania porównywanych parametrów - bezpośrednie i odwrotne. Wyjście jest ustawiane na jednostkę logiczną, gdy napięcie wejścia bezpośredniego przekracza wartość odwrotną, a zero - na odwrót. Jeżeli przy dodatniej różnicy między wejściem odwrotnym a bezpośrednim ustawiono jeden, aw odwrotnej sytuacji zero, wówczas taki komparator nazywa się odwracaniem.
Zasada działania komparatora
Wygodne jest zbudowanie komparatora na wzmacniacz operacyjny (OU).W tym celu wykorzystuje się bezpośrednio jego właściwości:
- wzmocnienie różnicy sygnału między wejściem bezpośrednim i odwracającym;
- nieskończony (w praktyce - od 10000 i więcej) współczynnik wzmocnienia.
Działanie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora można rozpatrywać za pomocą następującego schematu przełączania:
Niech będzie wzmacniacz operacyjny o wzmocnieniu 10000, napięcie zasilania jest dwubiegunowe, + 5 V i minus 5 V. rozdzielacz na wejściu odwracającym poziom odniesienia jest ustawiony dokładnie na 0 woltów, na wejściu bezpośrednim minus 5 woltów jest usuwane z suwaka potencjometru. Wzmacniacz operacyjny powinien wzmocnić różnicę 10 000 razy, teoretycznie na wyjściu powinno pojawić się napięcie minus 50 000 woltów. Ale opamp nie ma gdzie przyjąć takiego napięcia i tworzy maksymalne możliwe - napięcie zasilania minus 5 woltów.
Jeśli zaczniesz zwiększać napięcie na wejściu bezpośrednim, wzmacniacz operacyjny spróbuje ustawić różnicę napięć między wejściami pomnożoną przez 10000. Uda się, gdy napięcie wejściowe zbliży się do zera i osiągnie około minus 0,0005 V. Przy dalszym wzroście napięcia napięcie wejściowe na wejściu dodatnim, wyjście wzrośnie do zera i powyżej, a przy napięciu +0,0005 wolta osiągnie +5 V i nie wzrośnie dalej - nigdzie nie ma. Tak więc, gdy napięcie wejściowe przekroczy poziom zerowy (dokładniej minus 0,0005 wolta - + 0,0005), napięcie wyjściowe przeskoczy z minus 5 woltów do +5 woltów. Innymi słowy, dopóki napięcie na wejściu bezpośrednim jest niższe niż na wejściu odwracającym, wyjście komparatora jest ustawione na zero. Jeśli wyższy - jeden.
Interesująca jest sekcja różnicy poziomów na wejściach od minus 0,0005 wolta do + 0,0005.Teoretycznie, gdy minie, nastąpi płynny wzrost od ujemnego do dodatniego napięcia zasilania. W praktyce zakres ten jest bardzo wąski, a ze względu na zakłócenia, zakłócenia, niestabilność napięcia zasilania itp. przy przybliżonej równości napięć na wejściach nastąpi chaotyczna praca komparatora w obu kierunkach. Im niższe wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego, tym szersze okno niestabilności. Jeżeli komparator steruje siłownikiem, to spowoduje to jego pracę w czasie (kliknięcie przekaźnika, zatrzaśnięcie zaworu itp.), co może doprowadzić do jego mechanicznej awarii lub przegrzania.
Aby tego uniknąć, po włączeniu rezystora wskazanego linią przerywaną powstaje płytkie dodatnie sprzężenie zwrotne. Powoduje to niewielką histerezę, przesuwając progi przełączania, gdy napięcie przechodzi w górę iw dół względem odniesienia. Na przykład komparator przełączy się w górę przy napięciu 0,1 V, a w dół przy dokładnie zerze (w zależności od głębokości sprzężenia zwrotnego). To wyeliminuje okno niestabilności. Wartość tego rezystora może wynosić od kilkuset kiloomów do kilku megaomów. Im niższy opór, tym większa różnica między progami.
Istnieją również wyspecjalizowane układy scalone porównawcze. Na przykład LM393. W takich mikroukładach znajduje się szybki wzmacniacz operacyjny (lub kilka), można zainstalować wbudowany dzielnik, który wytwarza napięcie odniesienia. Kolejną różnicą między takimi komparatorami a urządzeniami zbudowanymi na wzmacniaczach operacyjnych ogólnego przeznaczenia jest to, że wiele z nich wymaga jednobiegunowego zasilania. Większość opampów wymaga napięcia bipolarnego. Wybór rodzaju mikroukładu dokonywany jest podczas opracowywania urządzenia.
Cechy komparatorów cyfrowych
Komparatory są również wykorzystywane w technice cyfrowej, choć na pierwszy rzut oka brzmi to paradoksalnie. W końcu są tylko dwa poziomy napięcia - jeden i zero. I nie ma sensu ich porównywać. Ale możesz porównać dwie liczby binarne, które można przeliczyć na dowolne wartości analogowe (w tym napięcie).
Niech będą dwa słowa binarne o tej samej długości w bitach:
X=X3X2X1X0 i Y=Y3Y2Y1Y.
Są uważane za równe wartości, jeśli wszystkie bity są równe bitowo:
1101=1101 => X=Y.
Jeśli przynajmniej jeden bit jest inny, liczby nie są równe. Większa liczba jest określana przez porównanie bitowe, zaczynając od najbardziej znaczącego bitu:
- 1101>101 - tutaj pierwszy bit X jest większy niż pierwszy bit Y, a X>Y;
- 1101>101 - pierwsze bity są równe, ale drugi bit X jest większy i X>Y;
- 111<1110 - Y ma większy trzeci bit, a większa wartość najmniej znaczącej cyfry X nie ma znaczenia, X<Y.
Implementację takiego porównania można zbudować na układach logicznych podstawowych elementów AND-NOT, OR-NOT, ale łatwiej jest wykorzystać gotowe produkty. Na przykład 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domowe K564IP2 i inne serie mikroukładów. Są to komparatory 2-8 bitowe z odpowiednią liczbą wejść danych i wejść sterujących. W większości przypadków komparatory cyfrowe mają 3 wyjścia:
- jeszcze;
- mniej;
- równa się.
W przeciwieństwie do urządzeń analogowych, z komparatorami binarnymi, równość na wejściach nie jest niepożądaną sytuacją i nie próbuje się jej unikać.
Takie urządzenie jest również łatwe do zbudowania programowo przy użyciu funkcji algebry Boole'a.Inna opcja - wiele mikrokontrolerów ma "na pokładzie" komparatory analogowe z osobnymi wyjściami zewnętrznymi, które wyprowadzają gotowy wynik porównania dwóch wartości w postaci 0 lub 1. To oszczędza zasoby małych systemów obliczeniowych .
Gdzie jest używany komparator napięcia?
Zakres komparatora jest szeroki. Na nim możesz na przykład zbudować przekaźnik progowy. Aby to zrobić, potrzebujesz czujnika, który zamienia dowolną wartość na napięcie. Ta wartość może być:
- poziom oświetlenia;
- poziom hałasu;
- poziom cieczy w naczyniu lub zbiorniku;
- wszelkie inne wartości.
Potencjometrem można ustawić poziom wyzwalania komparatora. Sygnał wyjściowy przez klawisz podawany jest do wskaźnika lub siłownika.
Jeśli zwiększysz histerezę, to komparator może działać jako wyzwalacz Schmitta. Gdy na wejście zostanie przyłożone wolno zmieniające się napięcie, wyjście będzie dyskretny sygnał ze stromymi frontami.
Te dwa elementy można połączyć, tworząc komparator dwuprogowy lub komparator okienny.
Tutaj napięcie progowe ustawia się osobno dla każdego komparatora - dla górnego na wejściu bezpośrednim, dla dolnego na odwrotnym. Wolne wejścia są łączone, zasilane są mierzonym napięciem. Wyjścia są połączone zgodnie ze schematem „montaż OR”. Gdy napięcie przekroczy ustaloną górną lub dolną granicę, jeden z komparatorów wytwarza wysoki poziom na wyjściu.
Komparator wielopoziomowy składa się z kilku elementów, które mogą służyć jako liniowy wskaźnik napięcia lub wartość przeliczana na napięcie. Dla czterech poziomów schemat będzie wyglądał następująco:
W tym obwodzie na wejście każdego elementu podawane jest napięcie odniesienia. Wejścia odwracające są ze sobą połączone, odbierają mierzony sygnał. Po osiągnięciu poziomu wyzwalania zapala się odpowiednia dioda LED. Jeżeli elementy promieniujące są ułożone liniowo, otrzymamy pasek świetlny, którego długość zmienia się w zależności od poziomu przyłożonego napięcia.
Ten sam obwód może być używany jako przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Przekształca napięcie wejściowe na odpowiedni kod binarny. Im więcej elementów jest zawartych w ADC, im większa głębia bitowa, tym dokładniejsza konwersja. W praktyce kod linii jest niewygodny w użyciu i jest konwertowany na znajomy kod za pomocą enkodera. Enkoder można zbudować na elementach logicznych, skorzystać z gotowego mikroukładu lub skorzystać z pamięci ROM z odpowiednim oprogramowaniem.
Zakres komparatorów w obwodach profesjonalnych i amatorskich jest zróżnicowany. Właściwe wykorzystanie tych elementów pozwala na rozwiązanie szerokiej gamy problemów.
Podobne artykuły:
