Når man designer elektroniske kredsløb, er det ofte nødvendigt at sammenligne niveauet af to spændinger. Til dette bruges en enhed såsom en komparator. Navnet på knudepunktet går tilbage til det latinske comparare, eller rettere, til det engelske for at sammenligne - at sammenligne.
Indhold
Hvad er en spændingskomparator
I det generelle tilfælde er en komparator en enhed, der har to indgange til at levere de sammenlignede værdier (spændinger) og en udgang til resultatet af sammenligningen. Komparatoren har to indgange til at levere de sammenlignede parametre - direkte og omvendt. Udgangen indstilles til en logisk enhed, når spændingen på det direkte input overstiger den omvendte, og nul - hvis omvendt. Hvis der med en positiv forskel mellem det omvendte og det direkte input er sat en, og i den modsatte situation - nul, så kaldes en sådan komparator invertering.
Funktionsprincippet for komparatoren
Det er praktisk at bygge en komparator på operationsforstærker (OU).Til dette bruges dens egenskaber direkte:
- forstærkning af signalforskellen mellem den direkte og inverterende input;
- uendelig (i praksis - fra 10000 og derover) forstærkningsfaktor.
Driften af op-ampen som en komparator kan overvejes med følgende koblingsskema:
Lad der være en op-amp med en forstærkning på 10000, forsyningsspændingen er bipolær, + 5 V og minus 5 V. skillevæg ved den inverterende indgang er referenceniveauet sat til præcis 0 volt, ved den direkte indgang fjernes minus 5 volt fra potentiometerskyderen. Operationsforstærkeren skal forstærke forskellen med 10.000 gange, teoretisk skal der vises en spænding på minus 50.000 volt ved udgangen. Men opampen har ingen steder at tage sådan en spænding, og den skaber det maksimale mulige - forsyningsspændingen, minus 5 volt.
Hvis du begynder at hæve spændingen ved den direkte indgang, vil op-forstærkeren forsøge at indstille spændingsforskellen mellem indgangene, ganget med 10000. Det vil lykkes, når indgangsspændingen nærmer sig nul og bliver cirka minus 0,0005 V. Med en yderligere stigning i indgangsspændingen ved den positive indgang, vil udgangen stige til nul og derover, og ved en spænding på +0,0005 volt bliver den til +5 V og vil ikke stige yderligere - der er ingen steder. Når indgangsspændingen passerer nulniveauet (mere præcist, minus 0,0005 volt - + 0,0005), vil udgangsspændingen springe fra minus 5 volt til +5 volt. Med andre ord, så længe spændingen ved den direkte indgang er lavere end ved den inverterende indgang, er komparatorudgangen sat til nul. Hvis højere - en.
Af interesse er sektionen af niveauforskellen ved indgangene fra minus 0,0005 volt til + 0,0005.I teorien, når den passerer, vil der være en jævn stigning fra negativ til positiv forsyningsspænding. I praksis er dette område meget snævert, og på grund af interferens, interferens, forsyningsspændingsustabilitet mv. med en omtrentlig lighed af spændinger ved indgangene, vil en kaotisk drift af komparatoren i begge retninger forekomme. Jo lavere forstærkningen af op-ampen er, jo bredere er dette vindue af ustabilitet. Hvis komparatoren styrer aktuatoren, vil dette få den til at arbejde i tide (klik på relæet, smækker ventilen osv.), hvilket kan føre til dens mekaniske fejl eller overophedning.
For at undgå dette skabes en overfladisk positiv feedback ved at tænde for modstanden angivet med den stiplede linje. Dette skaber en let hysterese, og skifter tærskelværdierne, når spændingen går op og ned i forhold til referencen. For eksempel vil komparatoren skifte op ved 0,1 volt og ned på nøjagtig nul (afhængigt af dybden af feedback). Dette vil fjerne ustabilitetsvinduet. Værdien af denne modstand kan være fra flere hundrede kilo-ohm til flere mega-ohm. Jo lavere modstand, jo større er forskellen mellem tærsklerne.
Der er også specialiserede komparator-IC'er. For eksempel LM393. I sådanne mikrokredsløb er der en højhastigheds operationsforstærker (eller flere), der kan installeres en indbygget skillelinje, der skaber en referencespænding. En anden forskel mellem sådanne komparatorer og enheder bygget på op-forstærkere til generelle formål er, at mange af dem kræver en unipolær strømforsyning. De fleste opampere kræver bipolar spænding. Valget af typen af mikrokredsløb foretages under udviklingen af enheden.
Funktioner af digitale komparatorer
Komparatorer bruges også i digital teknologi, selvom dette ved første øjekast lyder paradoksalt. Der er trods alt kun to spændingsniveauer - et og nul. Og det er meningsløst at sammenligne dem. Men du kan sammenligne to binære tal, som kan konverteres til alle analoge værdier (inklusive spænding).
Lad der være to binære ord af samme længde i bits:
X=X3x2x1x0 og Y=Y3Y2Y1Y.
De betragtes som lige i værdi, hvis alle bits er bitvis ens:
1101=1101 => X=Y.
Hvis mindst én bit er forskellig, så er tallene ikke ens. Det større tal bestemmes ved en bitvis sammenligning, startende med den mest signifikante bit:
- 1101>101 - her er den første bit af X større end den første bit af Y, og X>Y;
- 1101>101 - de første bits er ens, men den anden bit af X er større og X>Y;
- 111<1110 - Y har en større tredje bit, og den større værdi af det mindst signifikante ciffer af X betyder ikke noget, X<Y.
Implementeringen af en sådan sammenligning kan bygges på de logiske kredsløb af de grundlæggende elementer AND-NOT, OR-NOT, men det er lettere at bruge færdige produkter. For eksempel 4063 (CMOS), 7485 (TTL), indenlandsk K564IP2 og andre serier af mikrokredsløb. De er 2-8 bit komparatorer med et tilsvarende antal data og kontrolindgange. I de fleste tilfælde har digitale komparatorer 3 udgange:
- mere;
- mindre;
- lige med.
I modsætning til analoge enheder, med binære komparatorer, er lighed ved indgangene ikke en uønsket situation og forsøges ikke at undgå.
En sådan enhed er også nem at bygge programmatisk ved hjælp af boolske algebrafunktioner.En anden mulighed - mange mikrocontrollere har "ombord" analoge komparatorer med separate eksterne udgange, som udsender et færdigt resultat ved at sammenligne to værdier i form af 0 eller 1 til det interne kredsløb. Dette sparer ressourcen til små computersystemer .
Hvor bruges spændingskomparatoren?
Omfanget af komparatoren er bredt. På den kan du for eksempel bygge et tærskelrelæ. For at gøre dette har du brug for en sensor, der konverterer enhver værdi til spænding. Denne værdi kan være:
- belysningsniveau;
- støjniveau;
- væskeniveau i en beholder eller et reservoir;
- eventuelle andre værdier.
Potentiometeret kan bruges til at indstille triggerniveauet for komparatoren. Udgangssignalet gennem tasten gives til indikatoren eller aktuatoren.
Hvis du øger hysteresen, så kan komparatoren fungere som en Schmitt-trigger. Når en langsomt skiftende spænding påføres indgangen, vil udgangen være diskret signal med stejle fronter.
De to elementer kan forbindes til at danne en to-tærskel komparator eller en vindueskomparator.
Her indstilles tærskelspændingen separat for hver komparator - for den øverste ved den direkte indgang, for den nederste ved den omvendte. Frie indgange kombineres, de forsynes med den målte spænding. Udgangene er forbundet i henhold til "monterings-ELLER"-skemaet. Når spændingen går ud over den indstillede øvre eller nedre grænse, producerer en af komparatorerne et højt niveau ved udgangen.
En multilevel komparator er sammensat af flere elementer, som kan bruges som en lineær spændingsindikator eller en værdi, der konverteres til spænding. For fire niveauer vil ordningen være som følger:
I dette kredsløb påføres en referencespænding på hvert elements indgang. De inverterende indgange er forbundet med hinanden, de modtager det målte signal. Når triggerniveauet er nået, lyser den tilsvarende LED. Hvis de udstrålende elementer er arrangeret i en linje, opnås en lysstrimmel, hvis længde varierer i overensstemmelse med niveauet af den påførte spænding.
Det samme kredsløb kan bruges som en analog-til-digital konverter (ADC). Den konverterer indgangsspændingen til den tilsvarende binære kode. Jo flere elementer der er inkluderet i ADC'en, jo større bitdybde, jo mere nøjagtig er konverteringen. I praksis er linjekoden upraktisk at bruge, og den konverteres til en velkendt kode ved hjælp af en encoder. Encoderen kan bygges på logiske elementer, bruge et færdiglavet mikrokredsløb eller bruge en ROM med passende firmware.
Omfanget af komparatorer i professionelt og amatørkredsløb er forskelligt. Korrekt brug af disse elementer gør det muligt at løse en bred vifte af problemer.
Lignende artikler:
