Quando si progettano circuiti elettronici, è spesso necessario confrontare il livello di due tensioni. Per questo viene utilizzato un dispositivo come un comparatore. Il nome del nodo risale al latino comparare, o meglio all'inglese confrontare - confrontare.
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Cos'è un comparatore di tensione
Nel caso generale, un comparatore è un dispositivo che ha due ingressi per fornire i valori confrontati (tensioni) e un'uscita per il risultato del confronto. Il comparatore ha due ingressi per fornire i parametri confrontati: diretto e inverso. L'uscita è impostata su un'unità logica quando la tensione dell'ingresso diretto supera quella inversa e zero - se viceversa. Se, con una differenza positiva tra l'ingresso inverso e diretto, ne viene impostato uno e, nella situazione opposta, zero, allora tale comparatore viene chiamato inversione.
Il principio di funzionamento del comparatore
È conveniente costruire un comparatore amplificatore operazionale (UO).Per questo, le sue proprietà vengono utilizzate direttamente:
- amplificazione della differenza di segnale tra ingresso diretto e invertente;
- fattore di amplificazione infinito (in pratica - da 10000 e oltre).
Il funzionamento dell'amplificatore operazionale come comparatore può essere considerato con il seguente schema di commutazione:
Lascia che ci sia un amplificatore operazionale con un guadagno di 10000, la tensione di alimentazione è bipolare, + 5 V e meno 5 V. divisore all'ingresso invertente, il livello di riferimento è impostato esattamente a 0 volt, all'ingresso diretto, meno 5 volt vengono rimossi dal cursore del potenziometro. L'amplificatore operazionale dovrebbe amplificare la differenza di 10.000 volte, in teoria, all'uscita dovrebbe apparire una tensione di meno 50.000 volt. Ma l'opamp non ha un posto dove prendere una tale tensione e crea il massimo possibile: la tensione di alimentazione, meno 5 volt.
Se inizi ad aumentare la tensione all'ingresso diretto, l'amplificatore operazionale proverà a impostare la differenza di tensione tra gli ingressi, moltiplicata per 10000. Avrà successo quando la tensione di ingresso si avvicina a zero e diventa di circa meno 0,0005 V. Con un ulteriore aumento di la tensione di ingresso all'ingresso positivo, l'uscita aumenterà a zero e oltre, e con una tensione di +0,0005 volt diventerà +5 V e non aumenterà ulteriormente: non c'è nessun posto. Pertanto, quando la tensione di ingresso supera il livello zero (più precisamente, meno 0,0005 volt - + 0,0005), la tensione di uscita salterà da meno 5 volt a +5 volt. In altre parole, finché la tensione all'ingresso diretto è inferiore a quella all'ingresso invertente, l'uscita del comparatore è impostata a zero. Se superiore - uno.
Di interesse è la sezione della differenza di livello agli ingressi da meno 0,0005 volt a + 0,0005.In teoria, quando passa, ci sarà un aumento graduale dalla tensione di alimentazione negativa a quella positiva. In pratica, questo intervallo è molto ristretto e a causa di interferenze, interferenze, instabilità della tensione di alimentazione, ecc. con un'uguaglianza approssimativa delle tensioni agli ingressi, si verificherà un'operazione caotica del comparatore in entrambe le direzioni. Più basso è il guadagno dell'amplificatore operazionale, più ampia è questa finestra di instabilità. Se il comparatore controlla l'attuatore, ciò lo farà funzionare in tempo (facendo clic sul relè, sbattendo la valvola, ecc.), Il che può portare al suo guasto meccanico o al surriscaldamento.
Per evitare ciò, viene creato un feedback positivo poco profondo accendendo il resistore indicato dalla linea tratteggiata. Ciò crea una leggera isteresi, spostando le soglie di commutazione mentre la tensione sale e scende rispetto al riferimento. Ad esempio, il comparatore aumenterà a 0,1 volt e scenderà esattamente a zero (a seconda della profondità del feedback). Questo eliminerà la finestra di instabilità. Il valore di questo resistore può variare da diverse centinaia di kilo-ohm a diversi mega-ohm. Minore è la resistenza, maggiore è la differenza tra le soglie.
Esistono anche circuiti integrati di confronto specializzati. Ad esempio, LM393. In tali microcircuiti è presente un amplificatore operazionale ad alta velocità (o più), è possibile installare un divisore integrato che crea una tensione di riferimento. Un'altra differenza tra tali comparatori e dispositivi costruiti su amplificatori operazionali per uso generale è che molti di essi richiedono un'alimentazione unipolare. La maggior parte degli operazionali richiede una tensione bipolare. La scelta del tipo di microcircuito viene effettuata durante lo sviluppo del dispositivo.
Caratteristiche dei comparatori digitali
I comparatori sono usati anche nella tecnologia digitale, anche se questo suona, a prima vista, paradossale. Dopotutto, ci sono solo due livelli di tensione: uno e zero. Ed è inutile confrontarli. Ma puoi confrontare due numeri binari, che possono essere convertiti in qualsiasi valore analogico (compresa la tensione).
Siano presenti due parole binarie della stessa lunghezza in bit:
X=X3X2X1X0 e Y=Y3Y2Y1Y.
Sono considerati uguali in valore se tutti i bit sono uguali bit a bit:
1101=1101 => X=Y.
Se almeno un bit è diverso, i numeri non sono uguali. Il numero maggiore è determinato da un confronto bit per bit, a partire dal bit più significativo:
- 1101>101 - qui il primo bit di X è maggiore del primo bit di Y e X>Y;
- 1101>101 - i primi bit sono uguali, ma il secondo bit di X è maggiore e X>Y;
- 111<1110 - Y ha un terzo bit maggiore e il valore maggiore della cifra meno significativa di X non ha importanza, X<Y.
L'implementazione di tale confronto può essere costruita sui circuiti logici degli elementi di base AND-NOT, OR-NOT, ma è più semplice utilizzare i prodotti finiti. Ad esempio, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domestico e altre serie di microcircuiti. Sono comparatori a 2-8 bit con un numero corrispondente di dati e ingressi di controllo. Nella maggior parte dei casi, i comparatori digitali hanno 3 uscite:
- Di più;
- meno;
- è uguale a.
A differenza dei dispositivi analogici, con comparatori binari, l'uguaglianza agli ingressi non è una situazione indesiderabile e non si cerca di evitare.
Un tale dispositivo è anche facile da costruire a livello di codice utilizzando le funzioni di algebra booleana.Un'altra opzione: molti microcontrollori hanno comparatori analogici "on board" con uscite esterne separate, che emettono un risultato pronto confrontando due valori sotto forma di 0 o 1 con il circuito interno. Ciò consente di risparmiare risorse di piccoli sistemi informatici .
Dove viene utilizzato il comparatore di tensione?
L'ambito del comparatore è ampio. Su di esso, ad esempio, puoi costruire un relè di soglia. Per fare ciò, è necessario un sensore che converta qualsiasi valore in tensione. Questo valore può essere:
- livello di illuminazione;
- livello di rumore;
- livello del liquido in una nave o serbatoio;
- qualsiasi altro valore.
Il potenziometro può essere utilizzato per impostare il livello di trigger del comparatore. Il segnale in uscita tramite il tasto viene dato all'indicatore o all'attuatore.
Se si aumenta l'isteresi, il comparatore può funzionare come trigger di Schmitt. Quando viene applicata una tensione che cambia lentamente all'ingresso, l'uscita sarà segnale discreto con fronti scoscesi.
I due elementi possono essere collegati per formare un comparatore a due soglie, oppure un comparatore a finestra.
Qui, la tensione di soglia viene impostata separatamente per ciascun comparatore: per quello superiore all'ingresso diretto, per quello inferiore a quello inverso. Gli ingressi liberi sono combinati, vengono alimentati con la tensione misurata. Le uscite sono collegate secondo lo schema "montaggio OR". Quando la tensione supera il limite superiore o inferiore impostato, uno dei comparatori produce un livello alto in uscita.
Un comparatore multilivello è assemblato da più elementi, che possono essere utilizzati come indicatore di tensione lineare o un valore che viene convertito in tensione. Per quattro livelli, lo schema sarà il seguente:
In questo circuito viene applicata una tensione di riferimento all'ingresso di ciascun elemento. Gli ingressi invertenti sono collegati tra loro, ricevono il segnale misurato. Quando viene raggiunto il livello di trigger, il LED corrispondente si accende. Se gli elementi radianti sono disposti in linea, si otterrà una striscia luminosa la cui lunghezza varia in base al livello della tensione applicata.
Lo stesso circuito può essere utilizzato come convertitore analogico-digitale (ADC). Converte la tensione di ingresso nel codice binario corrispondente. Più elementi sono inclusi nell'ADC, maggiore è la profondità di bit, più accurata sarà la conversione. In pratica, il codice di linea è scomodo da usare e viene convertito in un codice familiare utilizzando un codificatore. L'encoder può essere costruito su elementi logici, utilizzare un microcircuito già pronto o utilizzare una ROM con il firmware appropriato.
L'ambito dei comparatori nei circuiti professionali e amatoriali è vario. L'uso corretto di questi elementi consente di risolvere un'ampia gamma di problemi.
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