Når du designer elektroniske kretser, er det ofte nødvendig å sammenligne nivået på to spenninger. For dette brukes en enhet som en komparator. Navnet på noden går tilbake til det latinske comparare, eller rettere sagt, til det engelske for å sammenligne - å sammenligne.
Innhold
Hva er en spenningskomparator
I det generelle tilfellet er en komparator en enhet som har to innganger for å levere de sammenlignede verdiene (spenninger) og en utgang for resultatet av sammenligningen. Komparatoren har to innganger for å levere de sammenlignede parameterne - direkte og invers. Utgangen settes til en logisk enhet når spenningen til den direkte inngangen overstiger den inverse, og null - hvis omvendt. Hvis en er satt med en positiv forskjell mellom invers og direkte inngang, og i motsatt situasjon - null, kalles en slik komparator invertering.
Prinsippet for drift av komparatoren
Det er praktisk å bygge en komparator på operasjonsforsterker (OU).For dette brukes egenskapene direkte:
- forsterkning av signalforskjellen mellom den direkte og inverterende inngangen;
- uendelig (i praksis - fra 10 000 og oppover) forsterkningsfaktor.
Driften av op-ampen som en komparator kan vurderes med følgende bytteskjema:
La det være en op-amp med en forsterkning på 10000, forsyningsspenningen er bipolar, + 5 V og minus 5 V. deler ved den inverterende inngangen er referansenivået satt til nøyaktig 0 volt, ved den direkte inngangen fjernes minus 5 volt fra potensiometerglideren. Operasjonsforsterkeren skal forsterke forskjellen med 10 000 ganger, teoretisk skal en spenning på minus 50 000 volt vises ved utgangen. Men opampen har ingen steder å ta en slik spenning, og den skaper maksimalt mulig - forsyningsspenningen, minus 5 volt.
Hvis du begynner å heve spenningen på den direkte inngangen, vil op-ampen prøve å stille inn spenningsforskjellen mellom inngangene, multiplisert med 10000. Det vil lykkes når inngangsspenningen nærmer seg null og blir omtrent minus 0,0005 V. Med en ytterligere økning i inngangsspenningen ved den positive inngangen vil utgangen stige til null og over, og ved en spenning på +0,0005 volt vil den bli +5 V og vil ikke stige ytterligere - det er ingen steder. Når inngangsspenningen passerer nullnivået (mer presist, minus 0,0005 volt - + 0,0005), vil utgangsspenningen hoppe fra minus 5 volt til +5 volt. Med andre ord, så lenge spenningen ved den direkte inngangen er lavere enn ved den inverterende inngangen, settes komparatorutgangen til null. Hvis høyere - en.
Av interesse er seksjonen av nivåforskjellen ved inngangene fra minus 0,0005 volt til + 0,0005.I teorien, når den passerer, vil det være en jevn økning fra negativ til positiv forsyningsspenning. I praksis er dette området veldig smalt, og på grunn av interferens, interferens, ustabilitet i forsyningsspenningen osv. med en tilnærmet spenningslikhet ved inngangene, vil en kaotisk operasjon av komparatoren i begge retninger oppstå. Jo lavere forsterkningen til op-ampen er, desto bredere er dette vinduet for ustabilitet. Hvis komparatoren styrer aktuatoren, vil dette få den til å fungere i tide (klikke på reléet, smelle i ventilen, etc.), noe som kan føre til mekanisk feil eller overoppheting.
For å unngå dette skapes en grunn positiv tilbakemelding ved å slå på motstanden indikert med den stiplede linjen. Dette skaper en liten hysterese, og skifter svitsjeterskler når spenningen går opp og ned i forhold til referansen. For eksempel vil komparatoren slå opp ved 0,1 volt, og ned på nøyaktig null (avhengig av dybden på tilbakemeldingen). Dette vil eliminere ustabilitetsvinduet. Verdien av denne motstanden kan være fra flere hundre kilo-ohm til flere mega-ohm. Jo lavere motstand, jo større er forskjellen mellom tersklene.
Det finnes også spesialiserte komparator-ICer. For eksempel LM393. I slike mikrokretser er det en høyhastighets operasjonsforsterker (eller flere), en innebygd deler kan installeres som lager en referansespenning. En annen forskjell mellom slike komparatorer og enheter bygget på generelle op-forsterkere er at mange av dem krever en unipolar strømforsyning. De fleste opampere krever bipolar spenning. Valget av typen mikrokrets gjøres under utviklingen av enheten.
Funksjoner av digitale komparatorer
Komparatorer brukes også i digital teknologi, selv om dette ved første øyekast høres paradoksalt ut. Tross alt er det bare to spenningsnivåer - ett og null. Og det er meningsløst å sammenligne dem. Men du kan sammenligne to binære tall, som kan konverteres til alle analoge verdier (inkludert spenning).
La det være to binære ord av samme lengde i biter:
X=X3X2X1X0 og Y=Y3Y2Y1Y.
De anses som like i verdi hvis alle biter er bitvis like:
1101=1101 => X=Y.
Hvis minst én bit er forskjellig, er tallene ikke like. Det større tallet bestemmes av en bitvis sammenligning, som starter med den mest signifikante biten:
- 1101>101 - her er den første biten av X større enn den første biten av Y, og X>Y;
- 1101>101 - de første bitene er like, men den andre biten av X er større og X>Y;
- 111<1110 - Y har en større tredje bit, og den større verdien av det minst signifikante sifferet av X spiller ingen rolle, X<Y.
Implementeringen av en slik sammenligning kan bygges på de logiske kretsene til de grunnleggende elementene AND-NOT, OR-NOT, men det er lettere å bruke ferdige produkter. For eksempel 4063 (CMOS), 7485 (TTL), innenlands K564IP2 og andre serier av mikrokretser. De er 2-8 bits komparatorer med et tilsvarende antall data og kontrollinnganger. I de fleste tilfeller har digitale komparatorer 3 utganger:
- mer;
- mindre;
- er lik.
I motsetning til analoge enheter, med binære komparatorer, er likhet ved inngangene ikke en uønsket situasjon og er ikke forsøkt unngått.
En slik enhet er også enkel å bygge programmatisk ved hjelp av boolske algebrafunksjoner.Et annet alternativ - mange mikrokontrollere har "ombord" analoge komparatorer med separate eksterne utganger, som gir ut et ferdig resultat av å sammenligne to verdier i form av 0 eller 1 til den interne kretsen. Dette sparer ressursen til små datasystemer .
Hvor brukes spenningskomparatoren?
Omfanget av komparatoren er bredt. På den kan du for eksempel bygge et terskelrelé. For å gjøre dette trenger du en sensor som konverterer enhver verdi til spenning. Denne verdien kan være:
- belysningsnivå;
- støynivå;
- væskenivå i et kar eller reservoar;
- eventuelle andre verdier.
Potensiometeret kan brukes til å stille inn triggernivået til komparatoren. Utgangssignalet gjennom nøkkelen gis til indikatoren eller aktuatoren.
Hvis du øker hysteresen, kan komparatoren fungere som en Schmitt-trigger. Når en langsomt skiftende spenning påføres inngangen, vil utgangen være diskret signal med bratte fronter.
De to elementene kan kobles sammen for å danne en to-terskelkomparator, eller en vinduskomparator.
Her settes terskelspenningen separat for hver komparator - for den øvre ved den direkte inngangen, for den nedre ved den inverse. Frie innganger kombineres, de forsynes med den målte spenningen. Utgangene er koblet i henhold til "monterings-ELLER"-skjemaet. Når spenningen går utover den innstilte øvre eller nedre grensen, produserer en av komparatorene et høyt nivå ved utgangen.
En multilevel komparator er satt sammen av flere elementer, som kan brukes som en lineær spenningsindikator, eller en verdi som konverteres til spenning. For fire nivåer vil ordningen være som følger:
I denne kretsen påføres en referansespenning på inngangen til hvert element. De inverterende inngangene er koblet sammen, de mottar det målte signalet. Når triggernivået er nådd, lyser den tilsvarende LED-en. Hvis de utstrålende elementene er anordnet i en linje, vil en lysstripe oppnås, hvis lengde varierer i samsvar med nivået på den påførte spenningen.
Den samme kretsen kan brukes som en analog-til-digital-omformer (ADC). Den konverterer inngangsspenningen til den tilsvarende binære koden. Jo flere elementer som er inkludert i ADC, jo større bitdybde, jo mer nøyaktig blir konverteringen. I praksis er linjekoden upraktisk å bruke, og den konverteres til en kjent kode ved hjelp av en koder. Koderen kan bygges på logiske elementer, bruke en ferdig mikrokrets, eller bruke en ROM med riktig firmware.
Omfanget av komparatorer i profesjonelle og amatørkretser er mangfoldig. Riktig bruk av disse elementene gjør det mulig å løse et bredt spekter av problemer.
Lignende artikler:
