La proiectarea circuitelor electronice, este adesea necesar să se compare nivelul a două tensiuni. Pentru aceasta, se folosește un dispozitiv precum un comparator. Numele nodului se întoarce la latinescul comparare sau, mai degrabă, la engleza to compare - to compare.
Conţinut
Ce este un comparator de tensiune
În cazul general, un comparator este un dispozitiv care are două intrări pentru furnizarea valorilor comparate (tensiuni) și o ieșire pentru rezultatul comparației. Comparatorul are două intrări pentru furnizarea parametrilor comparați - direct și invers. Ieșirea este setată la o unitate logică atunci când tensiunea intrării directe o depășește pe cea inversă și zero - dacă invers. Dacă, cu o diferență pozitivă între intrarea inversă și cea directă, se setează unul, iar în situația opusă - zero, atunci un astfel de comparator se numește inversare.
Principiul de funcționare al comparatorului
Este convenabil să construiți un comparator pe amplificator operațional (OU).Pentru aceasta, proprietățile sale sunt utilizate direct:
- amplificarea diferenței de semnal între intrarea directă și cea inversabilă;
- factor de amplificare infinit (în practică - de la 10000 și mai sus).
Funcționarea amplificatorului operațional ca comparator poate fi luată în considerare cu următoarea schemă de comutare:
Să existe un amplificator operațional cu un câștig de 10000, tensiunea de alimentare este bipolară, + 5 V și minus 5 V. separator la intrarea inversoare, nivelul de referință este setat la exact 0 volți, la intrarea directă, minus 5 volți este îndepărtat din glisorul potențiometrului. Amplificatorul operațional ar trebui să amplifice diferența de 10.000 de ori, teoretic, la ieșire ar trebui să apară o tensiune de minus 50.000 de volți. Dar opamp-ul nu are de unde să ia o astfel de tensiune și creează maximul posibil - tensiunea de alimentare, minus 5 volți.
Dacă începeți să creșteți tensiunea la intrarea directă, amplificatorul operațional va încerca să seteze diferența de tensiune între intrări, înmulțită cu 10000. Va reuși când tensiunea de intrare se apropie de zero și devine aproximativ minus 0,0005 V. Cu o creștere suplimentară a tensiunea de intrare la intrarea pozitivă, ieșirea va crește la zero și mai mult, iar la o tensiune de +0,0005 volți va deveni +5 V și nu va crește mai departe - nu există nicăieri. Astfel, atunci când tensiunea de intrare trece de nivelul zero (mai precis, minus 0,0005 volți - + 0,0005), tensiunea de ieșire va sări de la minus 5 volți la +5 volți. Cu alte cuvinte, atâta timp cât tensiunea la intrarea directă este mai mică decât la intrarea inversoare, ieșirea comparatorului este setată la zero. Dacă mai mare - unul.
Interesantă este secțiunea diferenței de nivel la intrări de la minus 0,0005 volți la + 0,0005.În teorie, atunci când trece, va avea loc o creștere lină de la tensiunea de alimentare negativă la pozitivă. În practică, acest interval este foarte îngust și din cauza interferențelor, interferențelor, instabilității tensiunii de alimentare etc. cu o egalitate aproximativă a tensiunilor la intrări, va avea loc o funcționare haotică a comparatorului în ambele direcții. Cu cât câștigul amplificatorului operațional este mai mic, cu atât este mai largă această fereastră de instabilitate. Dacă comparatorul controlează actuatorul, atunci aceasta va face ca acesta să funcționeze în timp (făcând clic pe releu, trântind supapa etc.), ceea ce poate duce la defecțiunea mecanică sau supraîncălzirea acestuia.
Pentru a evita acest lucru, se creează un feedback pozitiv superficial prin pornirea rezistorului indicat de linia întreruptă. Acest lucru creează o ușoară histerezis, schimbând pragurile de comutare pe măsură ce tensiunea trece în sus și în jos în raport cu referința. De exemplu, comparatorul va comuta în sus la 0,1 volți și în jos la exact zero (în funcție de adâncimea feedback-ului). Acest lucru va elimina fereastra de instabilitate. Valoarea acestui rezistor poate fi de la câteva sute de kilo-ohmi la câțiva mega-ohmi. Cu cât rezistența este mai mică, cu atât diferența dintre praguri este mai mare.
Există, de asemenea, CI de comparație specializate. De exemplu, LM393. În astfel de microcircuite, există un amplificator operațional de mare viteză (sau mai multe), poate fi instalat un divizor încorporat care creează o tensiune de referință. O altă diferență între astfel de comparatoare și dispozitive construite pe amplificatoare operaționale de uz general este că multe dintre ele necesită o sursă de alimentare unipolară. Majoritatea amplificatoarelor operaționale necesită tensiune bipolară. Alegerea tipului de microcircuit se face în timpul dezvoltării dispozitivului.
Caracteristicile comparatoarelor digitale
Comparatorii sunt folosiți și în tehnologia digitală, deși acest lucru sună, la prima vedere, paradoxal. La urma urmei, există doar două niveluri de tensiune - unul și zero. Și nu are rost să le compar. Dar puteți compara două numere binare, care pot fi convertite în orice valori analogice (inclusiv tensiunea).
Să fie două cuvinte binare de aceeași lungime în biți:
X=X3X2X1X0 și Y=Y3Y2Y1Y.
Sunt considerați egali ca valoare dacă toți biții sunt egali pe biți:
1101=1101 => X=Y.
Dacă cel puțin un bit este diferit, atunci numerele nu sunt egale. Numărul mai mare este determinat de o comparație pe biți, începând cu bitul cel mai semnificativ:
- 1101>101 - aici primul bit al lui X este mai mare decât primul bit al lui Y și X>Y;
- 1101>101 - primii biți sunt egali, dar al doilea bit al lui X este mai mare și X>Y;
- 111<1110 - Y are un al treilea bit mai mare, iar valoarea mai mare a cifrei mai puțin semnificative a lui X nu contează, X<Y.
Implementarea unei astfel de comparații poate fi construită pe circuitele logice ale elementelor de bază ȘI-NU, SAU-NU, dar este mai ușor de utilizat produse finite. De exemplu, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domestic și alte serii de microcircuite. Sunt comparatoare pe 2-8 biți cu un număr corespunzător de date și intrări de control. În cele mai multe cazuri, comparatoarele digitale au 3 ieșiri:
- Mai mult;
- Mai puțin;
- egală.
Spre deosebire de dispozitivele analogice, cu comparatoare binari, egalitatea la intrări nu este o situație nedorită și nu se încearcă să fie evitată.
Un astfel de dispozitiv este, de asemenea, ușor de construit programatic folosind funcții de algebră booleană.O altă opțiune - multe microcontrolere au comparatoare analogice „la bord” cu ieșiri externe separate, care scot un rezultat gata făcut al comparării a două valori sub formă de 0 sau 1 la circuitul intern. Acest lucru economisește resursele sistemelor de calcul mici. .
Unde este folosit comparatorul de tensiune?
Domeniul de aplicare al comparatorului este larg. Pe el, de exemplu, puteți construi un releu de prag. Pentru a face acest lucru, aveți nevoie de un senzor care convertește orice valoare în tensiune. Această valoare poate fi:
- nivelul de iluminare;
- nivelul de zgomot;
- nivelul lichidului într-un vas sau rezervor;
- orice alte valori.
Potențiometrul poate fi folosit pentru a seta nivelul de declanșare al comparatorului. Semnalul de ieșire prin cheie este transmis indicatorului sau actuatorului.
Dacă creșteți histerezisul, atunci comparatorul poate funcționa ca un declanșator Schmitt. Când o tensiune care se schimbă lent este aplicată la intrare, ieșirea va fi semnal discret cu fronturi abrupte.
Cele două elemente pot fi conectate pentru a forma un comparator cu două praguri sau un comparator fereastră.
Aici, tensiunea de prag este setată separat pentru fiecare comparator - pentru cel de sus la intrarea directă, pentru cel de jos la cea inversă. Intrările libere sunt combinate, sunt alimentate cu tensiunea măsurată. Ieșirile sunt conectate conform schemei „SAU de montare”. Când tensiunea depășește limita superioară sau inferioară setată, unul dintre comparatoare produce un nivel ridicat la ieșire.
Un comparator pe mai multe niveluri este asamblat din mai multe elemente, care pot fi folosite ca indicator liniar de tensiune sau o valoare care este convertită în tensiune. Pentru patru niveluri, schema va fi după cum urmează:
În acest circuit, o tensiune de referință este aplicată la intrarea fiecărui element. Intrările inversoare sunt conectate între ele, ele primesc semnalul măsurat. Când nivelul de declanșare este atins, LED-ul corespunzător se aprinde. Dacă elementele radiante sunt dispuse în linie, se va obține o bandă luminoasă a cărei lungime variază în funcție de nivelul tensiunii aplicate.
Același circuit poate fi folosit ca convertor analog-digital (ADC). Acesta convertește tensiunea de intrare în codul binar corespunzător. Cu cât sunt incluse mai multe elemente în ADC, cu atât adâncimea de biți este mai mare, cu atât conversia este mai precisă. În practică, codul de linie este incomod de utilizat și este convertit într-un cod familiar folosind un codificator. Codificatorul poate fi construit pe elemente logice, poate folosi un microcircuit gata făcut sau poate folosi un ROM cu firmware-ul corespunzător.
Domeniul de aplicare al comparatorilor în circuitele profesionale și amatoare este divers. Utilizarea corectă a acestor elemente permite rezolvarea unei game largi de probleme.
Articole similare:
