Quan es dissenyen circuits electrònics, sovint cal comparar el nivell de dos voltatges. Per a això, s'utilitza un dispositiu com un comparador. El nom del node es remunta al llatí comparare, o, millor dit, a l'anglès to compare - to compare.
Contingut
Què és un comparador de voltatge
En el cas general, un comparador és un dispositiu que té dues entrades per subministrar els valors comparats (tensions) i una sortida per al resultat de la comparació. El comparador té dues entrades per subministrar els paràmetres comparats: directe i invers. La sortida s'estableix en una unitat lògica quan la tensió de l'entrada directa supera la inversa, i zero - si a l'inrevés. Si, amb una diferència positiva entre l'entrada inversa i directa, s'estableix un, i en la situació oposada - zero, aquest comparador s'anomena invertir.
El principi de funcionament del comparador
És convenient construir un comparador amplificador operacional (OU).Per a això, les seves propietats s'utilitzen directament:
- amplificació de la diferència de senyal entre l'entrada directa i inversora;
- factor d'amplificació infinit (a la pràctica, a partir de 10.000).
El funcionament de l'amplificador operacional com a comparador es pot considerar amb el següent esquema de commutació:
Que hi hagi un amplificador operacional amb un guany de 10000, la tensió d'alimentació és bipolar, + 5 V i menys 5 V. divisor a l'entrada inversora, el nivell de referència s'estableix exactament en 0 volts, a l'entrada directa, menys 5 volts s'eliminen del control lliscant del potenciòmetre. L'amplificador operacional hauria d'amplificar la diferència en 10.000 vegades, teòricament, hauria d'aparèixer una tensió de menys 50.000 volts a la sortida. Però l'amplificador operatiu no té on agafar aquesta tensió i crea el màxim possible: la tensió d'alimentació, menys 5 volts.
Si comenceu a augmentar la tensió a l'entrada directa, l'amplificador operacional intentarà establir la diferència de tensió entre les entrades, multiplicada per 10.000. Tindrà èxit quan la tensió d'entrada s'acosti a zero i esdevingui aproximadament menys 0,0005 V. Amb un nou augment de la tensió d'entrada a l'entrada positiva, la sortida augmentarà a zero i més, i a una tensió de +0,0005 volts es convertirà en +5 V i no augmentarà més, no hi ha enlloc. Així, quan la tensió d'entrada passa del nivell zero (més precisament, menys 0,0005 volts - + 0,0005), la tensió de sortida saltarà de menys 5 volts a +5 volts. En altres paraules, sempre que la tensió a l'entrada directa sigui més baixa que a l'entrada inversora, la sortida del comparador es posa a zero. Si és més alt - un.
És interessant la secció de la diferència de nivell a les entrades de menys 0,0005 volts a + 0,0005.En teoria, quan passa, hi haurà un augment suau de la tensió d'alimentació negativa a positiva. A la pràctica, aquest rang és molt estret i a causa d'interferències, interferències, inestabilitat de la tensió de subministrament, etc. amb una igualtat aproximada de voltatges a les entrades, es produirà un funcionament caòtic del comparador en ambdues direccions. Com més baix sigui el guany de l'amplificador operatiu, més àmplia serà aquesta finestra d'inestabilitat. Si el comparador controla l'actuador, això farà que funcioni a temps (fent clic al relé, tancant la vàlvula, etc.), cosa que pot provocar una fallada mecànica o un sobreescalfament.
Per evitar-ho, es crea una retroalimentació positiva poc profunda activant la resistència indicada per la línia discontínua. Això crea una lleugera histèresi, canviant els llindars de commutació a mesura que la tensió passa amunt i avall en relació a la referència. Per exemple, el comparador augmentarà a 0,1 volts i baixarà exactament a zero (depenent de la profunditat de la retroalimentació). Això eliminarà la finestra d'inestabilitat. El valor d'aquesta resistència pot ser des de diversos centenars de quilo-ohms fins a diversos mega-ohms. Com més baixa sigui la resistència, més gran serà la diferència entre els llindars.
També hi ha CI comparadors especialitzats. Per exemple, LM393. En aquests microcircuits, hi ha un amplificador operacional d'alta velocitat (o diversos), es pot instal·lar un divisor integrat que crea una tensió de referència. Una altra diferència entre aquests comparadors i dispositius construïts amb amplificadors operacionals d'ús general és que molts d'ells requereixen una font d'alimentació unipolar. La majoria dels opamps requereixen voltatge bipolar. L'elecció del tipus de microcircuit es fa durant el desenvolupament del dispositiu.
Característiques dels comparadors digitals
Els comparadors també s'utilitzen en tecnologia digital, tot i que això sona, a primera vista, paradoxal. Després de tot, només hi ha dos nivells de tensió: un i zero. I és inútil comparar-los. Però podeu comparar dos nombres binaris, que es poden convertir en qualsevol valor analògic (inclosa la tensió).
Hi hagi dues paraules binàries de la mateixa longitud en bits:
X=X3X2X1X0 i Y=Y3Y2Y1Y.
Es consideren iguals en valor si tots els bits són iguals per bit:
1101=1101 => X=Y.
Si almenys un bit és diferent, els nombres no són iguals. El nombre més gran es determina mitjançant una comparació bit a bit, començant pel bit més significatiu:
- 1101>101 - aquí el primer bit de X és més gran que el primer bit de Y, i X>Y;
- 1101>101 - els primers bits són iguals, però el segon bit de X és més gran i X>Y;
- 111<1110 - Y té un tercer bit més gran, i el valor més gran del dígit menys significatiu de X no importa, X<Y.
La implementació d'aquesta comparació es pot construir sobre els circuits lògics dels elements bàsics I-NO, O NO, però és més fàcil utilitzar productes acabats. Per exemple, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domèstic i altres sèries de microcircuits. Són comparadors de 2-8 bits amb un nombre corresponent de dades i entrades de control. En la majoria dels casos, els comparadors digitals tenen 3 sortides:
- més;
- menys;
- és igual.
A diferència dels dispositius analògics, amb comparadors binaris, la igualtat a les entrades no és una situació indesitjable i no s'intenta evitar.
Aquest dispositiu també és fàcil de construir amb programació mitjançant funcions d'àlgebra booleana.Una altra opció: molts microcontroladors tenen comparadors analògics "a bord" amb sortides externes separades, que donen un resultat preparat de comparar dos valors en forma de 0 o 1 amb el circuit intern. Això estalvia els recursos dels sistemes informàtics petits. .
On s'utilitza el comparador de tensió?
L'abast del comparador és ampli. Sobre ell, per exemple, podeu construir un relé de llindar. Per fer-ho, necessiteu un sensor que converteixi qualsevol valor en voltatge. Aquest valor pot ser:
- nivell d'il·luminació;
- nivell de soroll;
- nivell de líquid en un recipient o dipòsit;
- qualsevol altre valor.
El potenciòmetre es pot utilitzar per ajustar el nivell d'activació del comparador. El senyal de sortida a través de la clau es dóna a l'indicador o actuador.
Si augmenteu la histèresi, el comparador pot funcionar com a disparador de Schmitt. Quan s'aplica una tensió que canvia lentament a l'entrada, la sortida serà senyal discret amb fronts costeruts.
Els dos elements es poden connectar per formar un comparador de dos llindars o un comparador de finestra.
Aquí, la tensió llindar s'estableix per separat per a cada comparador: per a la part superior a l'entrada directa, per a la inferior a la inversa. Les entrades lliures es combinen, s'alimenten amb la tensió mesurada. Les sortides es connecten segons l'esquema "O de muntatge". Quan la tensió supera el límit superior o inferior establert, un dels comparadors produeix un nivell alt a la sortida.
Un comparador multinivell s'assembla a partir de diversos elements, que es poden utilitzar com a indicador de tensió lineal o un valor que es converteix en tensió. Per a quatre nivells, l'esquema serà el següent:
En aquest circuit, s'aplica una tensió de referència a l'entrada de cada element. Les entrades inversores estan connectades entre si, reben el senyal mesurat. Quan s'arriba al nivell d'activació, s'encén el LED corresponent. Si els elements radiants es disposen en línia, s'obtindrà una tira de llum, la longitud de la qual varia segons el nivell de la tensió aplicada.
El mateix circuit es pot utilitzar com a convertidor analògic a digital (ADC). Converteix la tensió d'entrada al codi binari corresponent. Com més elements s'incloguin a l'ADC, més gran sigui la profunditat de bits, més precisa serà la conversió. A la pràctica, el codi de línia és incòmode d'utilitzar i es converteix en un codi familiar mitjançant un codificador. El codificador es pot construir sobre elements lògics, utilitzar un microcircuit preparat o utilitzar una ROM amb el firmware adequat.
L'abast dels comparadors en circuits professionals i amateurs és divers. L'ús adequat d'aquests elements permet resoldre un ampli ventall de problemes.
Articles semblants:
