При проектирането на електронни схеми често е необходимо да се сравни нивото на две напрежения. За това се използва устройство като компаратор. Името на възела се връща към латинското comparare, или по-скоро към английското to compare - да сравним.
Съдържание
Какво е компаратор на напрежение
В общия случай компараторът е устройство, което има два входа за подаване на сравняваните стойности (напрежения) и изход за резултата от сравнението. Компараторът има два входа за подаване на сравняваните параметри - директен и обратен. Изходът се настройва на логическа единица, когато напрежението на директния вход надвиши обратното, и нула - ако е обратно. Ако при положителна разлика между обратния и директния вход е зададена единица, а в обратната ситуация - нула, тогава такъв компаратор се нарича инвертиращ.
Принципът на действие на компаратора
Удобно е да се изгради компаратор операционен усилвател (OU).За това се използват директно неговите свойства:
- усилване на разликата в сигнала между директния и инвертиращия вход;
- безкраен (на практика - от 10000 и повече) коефициент на усилване.
Работата на операционния усилвател като компаратор може да се разглежда със следната схема на превключване:
Нека има оперативен усилвател с усилване 10000, захранващото напрежение е биполярно, + 5 V и минус 5 V. разделител на инвертиращия вход референтното ниво се настройва точно на 0 волта, на директния вход минус 5 волта се премахва от плъзгача на потенциометъра. Операционният усилвател трябва да усили разликата с 10 000 пъти, теоретично на изхода трябва да се появи напрежение минус 50 000 волта. Но операционният усилвател няма къде да вземе такова напрежение и създава максималното възможно - захранващо напрежение, минус 5 волта.
Ако започнете да повишавате напрежението на директния вход, операционният усилвател ще се опита да зададе разликата в напрежението между входовете, умножена по 10 000. Ще успее, когато входното напрежение се доближи до нула и стане приблизително минус 0,0005 V. При по-нататъшно увеличаване на входното напрежение на положителния вход, изходът ще се повиши до нула и повече, а при напрежение от +0,0005 волта ще стане +5 V и няма да се повиши повече - няма къде. По този начин, когато входното напрежение премине нулевото ниво (по-точно минус 0,0005 волта - + 0,0005), изходното напрежение ще скочи от минус 5 волта до +5 волта. С други думи, докато напрежението на директния вход е по-ниско, отколкото на инвертиращия вход, изходът на компаратора е настроен на нула. Ако по-високо - един.
Интерес представлява участъкът на разликата в нивото на входовете от минус 0,0005 волта до + 0,0005.На теория, когато премине, ще има плавно покачване от отрицателно към положително захранващо напрежение. На практика този диапазон е много тесен и поради смущения, смущения, нестабилност на захранващото напрежение и т.н. при приблизително равенство на напреженията на входовете ще възникне хаотична работа на компаратора в двете посоки. Колкото по-ниско е усилването на операционния усилвател, толкова по-широк е този прозорец на нестабилност. Ако компараторът управлява задвижващия механизъм, това ще го накара да работи навреме (щракване върху релето, затръшване на клапана и т.н.), което може да доведе до неговата механична повреда или прегряване.
За да се избегне това, се създава плитка положителна обратна връзка чрез включване на резистора, обозначен с пунктираната линия. Това създава лек хистерезис, измествайки праговете на превключване, когато напрежението преминава нагоре и надолу спрямо еталонното. Например, компараторът ще превключи нагоре при 0,1 волта и надолу при точно нула (в зависимост от дълбочината на обратната връзка). Това ще премахне прозореца за нестабилност. Стойността на този резистор може да бъде от няколкостотин килоома до няколко мегаома. Колкото по-ниско е съпротивлението, толкова по-голяма е разликата между праговете.
Съществуват и специализирани ИС за сравнение. Например LM393. В такива микросхеми има високоскоростен операционен усилвател (или няколко), може да се инсталира вграден делител, който създава еталонно напрежение. Друга разлика между такива компаратори и устройства, изградени на операционни усилватели с общо предназначение, е, че много от тях изискват еднополюсно захранване. Повечето операционни усилватели изискват биполярно напрежение. Изборът на типа микросхема се прави по време на разработката на устройството.
Характеристики на цифровите компаратори
Компараторите се използват и в цифровите технологии, въпреки че това звучи на пръв поглед парадоксално. В крайна сметка има само две нива на напрежение - едно и нула. И е безсмислено да ги сравняваме. Но можете да сравните две двоични числа, които могат да бъдат преобразувани във всякакви аналогови стойности (включително напрежение).
Нека има две двоични думи с еднаква дължина в битове:
X=X3х2х1х0 и Y=Y3Й2Й1Й.
Те се считат за равни по стойност, ако всички битове са побитово равни:
1101=1101 => X=Y.
Ако поне един бит е различен, тогава числата не са равни. По-голямото число се определя чрез побитово сравнение, започвайки с най-значимия бит:
- 1101>101 - тук първият бит на X е по-голям от първия бит на Y и X>Y;
- 1101>101 - първите битове са равни, но вторият бит от X е по-голям и X>Y;
- 111<1110 - Y има по-голям трети бит, а по-голямата стойност на най-малката цифра на X няма значение, X<Y.
Изпълнението на такова сравнение може да бъде изградено върху логическите схеми на основните елементи И-НЕ, ИЛИ-НЕ, но е по-лесно да се използват готови продукти. Например, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), домашни K564IP2 и други серии микросхеми. Те са 2-8 битови компаратори със съответен брой данни и контролни входове. В повечето случаи цифровите компаратори имат 3 изхода:
- Повече ▼;
- по-малко;
- се равнява.
За разлика от аналоговите устройства, с двоични компаратори, равенството на входовете не е нежелана ситуация и не се опитва да се избягва.
Такова устройство също е лесно да се изгради програмно, като се използват функции на булева алгебра.Друг вариант - много микроконтролери имат "вградени" аналогови компаратори с отделни външни изходи, които извеждат готов резултат от сравняване на две стойности под формата на 0 или 1 към вътрешната схема. Това спестява ресурса на малките изчислителни системи .
Къде се използва компараторът на напрежението?
Обхватът на компаратора е широк. На него, например, можете да изградите прагово реле. За да направите това, имате нужда от сензор, който преобразува всяка стойност в напрежение. Тази стойност може да бъде:
- ниво на осветеност;
- ниво на шума;
- ниво на течността в съд или резервоар;
- всякакви други стойности.
Потенциометърът може да се използва за настройка на нивото на задействане на компаратора. Изходният сигнал през ключа се подава на индикатора или задвижващия механизъм.
Ако увеличите хистерезиса, тогава компараторът може да работи като тригер на Шмит. Когато към входа се приложи бавно променящо се напрежение, изходът ще бъде дискретен сигнал със стръмни фронтове.
Двата елемента могат да бъдат свързани, за да образуват компаратор с два прага или компаратор на прозорец.
Тук праговото напрежение се задава отделно за всеки компаратор - за горния на директния вход, за долния на инверсния. Свободните входове са комбинирани, те се захранват с измереното напрежение. Изходите са свързани по схемата "монтаж ИЛИ". Когато напрежението надхвърли зададената горна или долна граница, един от компараторите произвежда високо ниво на изхода.
Многостепенен компаратор е сглобен от няколко елемента, които могат да се използват като линеен индикатор за напрежение или стойност, която се преобразува в напрежение. За четири нива схемата ще бъде както следва:
В тази схема към входа на всеки елемент се прилага еталонно напрежение. Инвертиращите входове са свързани заедно, те получават измервания сигнал. Когато се достигне нивото на задействане, съответният светодиод светва. Ако излъчващите елементи са разположени в една линия, ще се получи светлинна лента, чиято дължина варира в зависимост от нивото на приложеното напрежение.
Същата схема може да се използва като аналогово-цифров преобразувател (ADC). Той преобразува входното напрежение в съответния двоичен код. Колкото повече елементи са включени в ADC, толкова по-голяма е битовата дълбочина, толкова по-точно е преобразуването. На практика линейният код е неудобен за използване и се преобразува в познат код с помощта на енкодер. Кодерът може да бъде изграден върху логически елементи, да използва готова микросхема или да използва ROM със съответния фърмуер.
Обхватът на компараторите в професионалните и любителските схеми е разнообразен. Правилното използване на тези елементи позволява решаването на широк спектър от проблеми.
Подобни статии:
