Vid design av elektroniska kretsar är det ofta nödvändigt att jämföra nivån på två spänningar. För detta används en anordning såsom en komparator. Namnet på noden går tillbaka till latinets comparare, eller, snarare, till engelskan att jämföra - att jämföra.
Innehåll
Vad är en spänningsjämförare
I det allmänna fallet är en komparator en enhet som har två ingångar för att leverera de jämförda värdena (spänningar) och en utgång för resultatet av jämförelsen. Komparatorn har två ingångar för att leverera de jämförda parametrarna - direkt och invers. Utgången är inställd på en logisk enhet när spänningen på den direkta ingången överstiger den omvända ettan, och noll - om vice versa. Om en är inställd med en positiv skillnad mellan invers och direkt ingång, och i motsatt situation - noll, kallas en sådan komparator invertering.
Funktionsprincipen för komparatorn
Det är bekvämt att bygga en komparator på operationsförstärkare (OU).För detta används dess egenskaper direkt:
- förstärkning av signalskillnaden mellan den direkta och inverterande ingången;
- oändlig (i praktiken - från 10000 och uppåt) förstärkningsfaktor.
Driften av op-ampen som en komparator kan övervägas med följande omkopplingsschema:
Låt det finnas en op-amp med en förstärkning på 10000, matningsspänningen är bipolär, + 5 V och minus 5 V. delare vid den inverterande ingången är referensnivån inställd på exakt 0 volt, vid den direkta ingången tas minus 5 volt bort från potentiometerreglaget. Operationsförstärkaren bör förstärka skillnaden med 10 000 gånger, teoretiskt sett bör en spänning på minus 50 000 volt visas på utgången. Men opampen har ingenstans att ta en sådan spänning, och den skapar det maximala möjliga - matningsspänningen, minus 5 volt.
Om du börjar höja spänningen på direktingången kommer op-ampen att försöka ställa in spänningsskillnaden mellan ingångarna, multiplicerat med 10000. Det kommer att lyckas när inspänningen närmar sig noll och blir ungefär minus 0,0005 V. Med en ytterligare ökning av ingångsspänningen vid den positiva ingången kommer utgången att stiga till noll och över, och vid en spänning på +0,0005 volt blir den +5 V och kommer inte att stiga ytterligare - det finns ingenstans. Sålunda, när ingångsspänningen passerar nollnivån (mer exakt, minus 0,0005 volt - + 0,0005), kommer utspänningen att hoppa från minus 5 volt till +5 volt. Med andra ord, så länge som spänningen vid den direkta ingången är lägre än vid den inverterande ingången, är komparatorutgången inställd på noll. Om högre - en.
Av intresse är sektionen av nivåskillnaden vid ingångarna från minus 0,0005 volt till + 0,0005.I teorin, när den passerar, kommer det att ske en jämn ökning från negativ till positiv matningsspänning. I praktiken är detta intervall mycket snävt, och på grund av störningar, störningar, instabilitet i matningsspänningen etc. med en ungefärlig spänningslikhet vid ingångarna kommer en kaotisk operation av komparatorn i båda riktningarna att inträffa. Ju lägre förstärkning op-förstärkaren har, desto bredare är detta instabilitetsfönster. Om komparatorn styr ställdonet, kommer detta att få det att fungera i tid (klicka på reläet, smälla ventilen, etc.), vilket kan leda till dess mekaniska fel eller överhettning.
För att undvika detta skapas en ytlig positiv återkoppling genom att slå på motståndet som indikeras av den streckade linjen. Detta skapar en lätt hysteres, vilket förskjuter omkopplingströsklarna när spänningen går upp och ner i förhållande till referensen. Till exempel kommer komparatorn att växla upp vid 0,1 volt och ner vid exakt noll (beroende på djupet av återkoppling). Detta kommer att eliminera instabilitetsfönstret. Värdet på detta motstånd kan vara från flera hundra kilo-ohm till flera mega-ohm. Ju lägre motstånd desto större är skillnaden mellan trösklarna.
Det finns också specialiserade komparator-IC:er. Till exempel LM393. I sådana mikrokretsar finns en höghastighetsoperationsförstärkare (eller flera), en inbyggd avdelare kan installeras som skapar en referensspänning. En annan skillnad mellan sådana komparatorer och enheter byggda på generella op-förstärkare är att många av dem kräver en unipolär strömförsörjning. De flesta opamps kräver bipolär spänning. Valet av typen av mikrokrets görs under utvecklingen av enheten.
Funktioner hos digitala komparatorer
Komparatorer används också inom digital teknik, även om detta vid första anblicken låter paradoxalt. Det finns trots allt bara två spänningsnivåer - en och noll. Och det är meningslöst att jämföra dem. Men du kan jämföra två binära tal, som kan konverteras till alla analoga värden (inklusive spänning).
Låt det finnas två binära ord av samma längd i bitar:
X=X3X2X1X0 och Y=Y3Y2Y1Y.
De anses vara lika i värde om alla bitar är bitvis lika:
1101=1101 => X=Y.
Om minst en bit skiljer sig är siffrorna inte lika. Det större antalet bestäms av en bitvis jämförelse, som börjar med den mest signifikanta biten:
- 1101>101 - här är den första biten av X större än den första biten av Y, och X>Y;
- 1101>101 - de första bitarna är lika, men den andra biten av X är större och X>Y;
- 111<1110 - Y har en större tredje bit, och det större värdet på den minst signifikanta siffran i X spelar ingen roll, X<Y.
Implementeringen av en sådan jämförelse kan byggas på logikkretsarna för de grundläggande elementen AND-NOT, OR-NOT, men det är lättare att använda färdiga produkter. Till exempel, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), inhemska K564IP2 och andra serier av mikrokretsar. De är 2-8 bitars komparatorer med ett motsvarande antal data och kontrollingångar. I de flesta fall har digitala komparatorer 3 utgångar:
- Mer;
- mindre;
- lika.
Till skillnad från analoga enheter, med binära komparatorer, är jämlikhet vid ingångarna inte en oönskad situation och försöker inte undvikas.
En sådan enhet är också lätt att bygga programmatiskt med hjälp av booleska algebrafunktioner.Ett annat alternativ - många mikrokontroller har "ombord" analoga komparatorer med separata externa utgångar, som matar ut ett färdigt resultat av att jämföra två värden i form av 0 eller 1 med den interna kretsen. Detta sparar resurserna för små datorsystem .
Var används spänningskomparatorn?
Omfattningen av komparatorn är bred. På den kan man till exempel bygga ett tröskelrelä. För att göra detta behöver du en sensor som omvandlar alla värden till spänning. Detta värde kan vara:
- belysningsnivå;
- ljudnivå;
- vätskenivå i ett kärl eller reservoar;
- andra värden.
Potentiometern kan användas för att ställa in triggernivån för komparatorn. Utsignalen genom nyckeln ges till indikatorn eller ställdonet.
Om du ökar hysteresen kan komparatorn fungera som en Schmitt-trigger. När en långsamt föränderlig spänning appliceras på ingången, blir utgången diskret signal med branta fronter.
De två elementen kan anslutas för att bilda en tvåtröskelkomparator eller en fönsterkomparator.
Här ställs tröskelspänningen in separat för varje komparator - för den övre vid direktingången, för den nedre vid den omvända. Fria ingångar kombineras, de matas med den uppmätta spänningen. Utgångarna är anslutna enligt schemat "montering ELLER". När spänningen går över den inställda övre eller nedre gränsen, producerar en av komparatorerna en hög nivå vid utgången.
En multilevel komparator är sammansatt av flera element, som kan användas som en linjär spänningsindikator, eller ett värde som omvandlas till spänning. För fyra nivåer kommer schemat att vara följande:
I denna krets appliceras en referensspänning på ingången till varje element. De inverterande ingångarna är sammankopplade, de tar emot den uppmätta signalen. När utlösningsnivån uppnås tänds motsvarande lysdiod. Om strålningselementen är anordnade i en linje erhålls en ljusremsa, vars längd varierar i enlighet med nivån på den applicerade spänningen.
Samma krets kan användas som en analog-till-digital-omvandlare (ADC). Den omvandlar inspänningen till motsvarande binära kod. Ju fler element som ingår i ADC, desto större bitdjup, desto mer exakt blir omvandlingen. I praktiken är linjekoden obekväm att använda, och den konverteras till en bekant kod med hjälp av en kodare. Kodaren kan byggas på logiska element, använda en färdig mikrokrets eller använda en ROM med lämplig firmware.
Omfattningen av komparatorer i professionella och amatörkretsar är varierande. Korrekt användning av dessa element gör det möjligt att lösa ett brett spektrum av problem.
Liknande artiklar:
