Bij het ontwerpen van elektronische schakelingen is het vaak nodig om het niveau van twee spanningen te vergelijken. Hiervoor wordt een apparaat zoals een comparator gebruikt. De naam van het knooppunt gaat terug naar het Latijnse comparare, of beter gezegd, naar het Engels om te vergelijken - om te vergelijken.
Inhoud
Wat is een spanningsvergelijker?
In het algemene geval is een comparator een apparaat dat twee ingangen heeft voor het leveren van de vergeleken waarden (spanningen) en een uitgang voor het resultaat van de vergelijking. De comparator heeft twee ingangen voor het leveren van de vergeleken parameters - direct en invers. De uitgang wordt ingesteld op een logische eenheid wanneer de spanning van de directe ingang de inverse overschrijdt, en nul - als vice versa. Als, met een positief verschil tussen de inverse en directe invoer, één is ingesteld, en in de tegenovergestelde situatie - nul, dan wordt zo'n comparator inverteren genoemd.
Het werkingsprincipe van de comparator:
Het is handig om een vergelijker op te bouwen: operationele versterker (OE).Hiervoor worden de eigenschappen direct gebruikt:
- versterking van het signaalverschil tussen de directe en inverterende ingang;
- oneindig (in de praktijk - vanaf 10000 en hoger) versterkingsfactor.
De werking van de op-amp als comparator kan worden overwogen met het volgende schakelschema:
Laat er een op-amp zijn met een versterking van 10000, de voedingsspanning is bipolair, + 5 V en min 5 V. scheidingslijn bij de inverterende ingang wordt het referentieniveau op exact 0 volt gezet, bij de directe ingang wordt min 5 volt van de potentiometerschuif verwijderd. De operationele versterker zou het verschil met 10.000 keer moeten versterken, in theorie zou een spanning van min 50.000 volt aan de uitgang moeten verschijnen. Maar de opamp kan nergens zo'n spanning opnemen en creëert het maximaal mogelijke - de voedingsspanning, minus 5 volt.
Als u de spanning op de directe ingang begint te verhogen, zal de opamp proberen het spanningsverschil tussen de ingangen in te stellen, vermenigvuldigd met 10000. Het zal slagen wanneer de ingangsspanning nul nadert en ongeveer min 0,0005 V wordt. Met een verdere toename van de ingangsspanning aan de positieve ingang, de uitgang zal stijgen tot nul en hoger, en bij een spanning van +0,0005 volt wordt deze +5 V en zal niet verder stijgen - er is nergens. Dus wanneer de ingangsspanning het nulniveau passeert (meer precies, minus 0,0005 volt - + 0,0005), zal de uitgangsspanning springen van min 5 volt naar +5 volt. Met andere woorden, zolang de spanning op de directe ingang lager is dan op de inverterende ingang, wordt de comparatoruitgang op nul gezet. Indien hoger - één.
Van belang is het gedeelte van het niveauverschil aan de ingangen van minus 0,0005 volt tot + 0,0005.In theorie, wanneer het voorbij is, zal er een geleidelijke stijging zijn van negatieve naar positieve voedingsspanning. In de praktijk is dit bereik erg smal en als gevolg van interferentie, interferentie, instabiliteit van de voedingsspanning, enz. met een ongeveer gelijke spanning aan de ingangen zal een chaotische werking van de comparator in beide richtingen optreden. Hoe lager de versterking van de op-amp, hoe groter dit instabiliteitsvenster. Als de comparator de actuator aanstuurt, zorgt dit ervoor dat deze op tijd werkt (klikken op het relais, dichtslaan van de klep, enz.), Wat kan leiden tot mechanische storing of oververhitting.
Om dit te voorkomen, wordt een oppervlakkige positieve feedback gecreëerd door de weerstand in te schakelen die wordt aangegeven door de stippellijn. Dit creëert een lichte hysterese, waarbij de schakeldrempels worden verschoven naarmate de spanning op en neer gaat ten opzichte van de referentie. De comparator schakelt bijvoorbeeld omhoog bij 0,1 volt en omlaag bij precies nul (afhankelijk van de diepte van de feedback). Hiermee wordt het instabiliteitsvenster geëlimineerd. De waarde van deze weerstand kan variëren van enkele honderden kilo-ohm tot enkele mega-ohm. Hoe lager de weerstand, hoe groter het verschil tussen de drempels.
Er zijn ook gespecialiseerde comparator-IC's. Bijvoorbeeld LM393. In dergelijke microschakelingen is er een snelle operationele versterker (of meerdere), een ingebouwde verdeler kan worden geïnstalleerd die een referentiespanning creëert. Een ander verschil tussen dergelijke comparators en apparaten die zijn gebouwd op algemene opamps is dat veel van hen een unipolaire voeding nodig hebben. De meeste opamps hebben bipolaire spanning nodig. De keuze van het type microschakeling wordt gemaakt tijdens de ontwikkeling van het apparaat.
Kenmerken van digitale vergelijkers
Comparatoren worden ook gebruikt in de digitale technologie, hoewel dit op het eerste gezicht paradoxaal klinkt. Er zijn immers maar twee spanningsniveaus: één en nul. En het heeft geen zin om ze te vergelijken. Maar je kunt twee binaire getallen vergelijken, die kunnen worden geconverteerd naar alle analoge waarden (inclusief spanning).
Laat er twee binaire woorden zijn van dezelfde lengte in bits:
X=X3X2X1X0 en Y=Y3ja2ja1ja.
Ze worden als gelijk in waarde beschouwd als alle bits bitsgewijs gelijk zijn:
1101=1101 => X=Y.
Als ten minste één bit anders is, zijn de getallen niet gelijk. Het grotere aantal wordt bepaald door een bitsgewijze vergelijking, te beginnen met het meest significante bit:
- 1101>101 - hier is het eerste bit van X groter dan het eerste bit van Y, en X>Y;
- 1101>101 - de eerste bits zijn gelijk, maar de tweede bit van X is groter en X>Y;
- 111<1110 - Y heeft een grotere derde bit, en de grotere waarde van het minst significante cijfer van X doet er niet toe, X<Y.
De implementatie van een dergelijke vergelijking kan worden gebouwd op de logische circuits van de basiselementen AND-NOT, OR-NOT, maar het is gemakkelijker om afgewerkte producten te gebruiken. Bijvoorbeeld 4063 (CMOS), 7485 (TTL), binnenlandse K564IP2 en andere series microschakelingen. Het zijn 2-8 bits comparatoren met een overeenkomstig aantal data- en stuuringangen. In de meeste gevallen hebben digitale vergelijkers 3 uitgangen:
- meer;
- minder;
- gelijk aan.
In tegenstelling tot analoge apparaten, met binaire comparatoren, is gelijkheid aan de ingangen geen ongewenste situatie en wordt niet geprobeerd te vermijden.
Zo'n apparaat is ook eenvoudig programmatisch te bouwen met behulp van Booleaanse algebrafuncties.Een andere optie - veel microcontrollers hebben analoge comparatoren "aan boord" met afzonderlijke externe uitgangen, die een kant-en-klaar resultaat opleveren door twee waarden in de vorm van 0 of 1 te vergelijken met het interne circuit. Dit bespaart de middelen van kleine computersystemen .
Waar wordt de spanningsvergelijker gebruikt?
De reikwijdte van de vergelijker is breed. Hierop kun je bijvoorbeeld een drempelrelais bouwen. Hiervoor heb je een sensor nodig die elke waarde omzet in spanning. Deze waarde kan zijn:
- verlichtingsniveau;
- geluidsniveau;
- vloeistofniveau in een vat of reservoir;
- eventuele andere waarden.
Met de potentiometer kan het triggerniveau van de comparator worden ingesteld. Het uitgangssignaal via de toets wordt aan de indicator of actuator gegeven.
Als je de hysterese verhoogt, kan de comparator als Schmitt-trigger werken. Wanneer een langzaam veranderende spanning op de ingang wordt toegepast, wordt de uitgang discreet signaal met steile fronten.
De twee elementen kunnen met elkaar worden verbonden tot een twee-drempelvergelijker, of een venstervergelijker.
Hier wordt de drempelspanning voor elke comparator afzonderlijk ingesteld - voor de bovenste op de directe ingang, voor de onderste op de inverse. Vrije ingangen worden gecombineerd, ze worden geleverd met de gemeten spanning. De uitgangen worden aangesloten volgens het schema "montage OF". Wanneer de spanning de ingestelde boven- of ondergrens overschrijdt, produceert een van de comparatoren een hoog niveau aan de uitgang.
Een multilevel comparator is samengesteld uit verschillende elementen, die kunnen worden gebruikt als een lineaire spanningsindicator, of een waarde die wordt omgezet in spanning. Voor vier niveaus ziet het schema er als volgt uit:
In dit circuit wordt een referentiespanning toegepast op de ingang van elk element. De inverterende ingangen zijn met elkaar verbonden, ze ontvangen het gemeten signaal. Wanneer het triggerniveau is bereikt, licht de bijbehorende LED op. Als de stralende elementen in een lijn zijn gerangschikt, wordt een lichtstrook verkregen waarvan de lengte varieert in overeenstemming met de hoogte van de aangelegde spanning.
Hetzelfde circuit kan worden gebruikt als een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC). Het zet de ingangsspanning om in de bijbehorende binaire code. Hoe meer elementen in de ADC zijn opgenomen, hoe groter de bitdiepte, hoe nauwkeuriger de conversie. In de praktijk is de lijncode onhandig in gebruik en wordt deze met een encoder omgezet in een bekende code. De encoder kan worden gebouwd op logische elementen, een kant-en-klare microschakeling gebruiken of een ROM met de juiste firmware gebruiken.
De reikwijdte van comparators in professionele en amateurcircuits is divers. Een juist gebruik van deze elementen maakt het mogelijk een breed scala aan problemen op te lossen.
Vergelijkbare artikelen:
