Projektuojant elektronines grandines dažnai reikia palyginti dviejų įtampų lygį. Tam naudojamas toks prietaisas kaip komparatorius. Vieneto pavadinimas kilęs iš lotyniško žodžio comparare, t. y. lyginti.
Turinys
Kas yra įtampos komparatorius
Komparatorius paprastai yra įtaisas, turintis du lyginamų verčių (įtampų) įėjimus ir lyginimo rezultato išėjimą. Komparatorius turi du lyginamų verčių įėjimus - tiesioginį ir atvirkštinį. Jei tiesioginė įėjimo įtampa viršija atvirkštinę įtampą, išėjime nustatomas loginis vienetas, o jei atvirkščiai - nulis. Komparatorius vadinamas invertuojančiuoju komparatoriumi, jei skirtumas tarp tiesioginio ir atvirkštinio įėjimų yra teigiamas, o priešingu atveju - nulinis.
Komparatoriaus veikimo principas
Komparatorių patogu kurti naudojant operacinis stiprintuvas (OP-AMP). Šiuo tikslu ji tiesiogiai naudoja savo savybes:
- Signalo skirtumo tarp tiesioginio ir invertuojančio įėjimų stiprinimas;
- begalinis (praktiškai nuo 10 000 ir daugiau) prieaugis.
DT kaip komparatoriaus veikimą galima nagrinėti naudojant šią schemą:
Tarkime, kad yra optinis stiprintuvas, kurio stiprinimas yra 10000, o maitinimo įtampa yra dvipolė, + 5 V ir minus 5 V. Skirtukas nustatomas lygiai 0 voltų atskaitos lygis invertuojančioje įvestyje, tiesioginėje įvestyje imamas minus 5 voltų potencialo slankikliu. Operacinis stiprintuvas turėtų sustiprinti skirtumą 10 000 kartų, teoriškai išėjime turėtų atsirasti minus 50 000 voltų įtampa. Tačiau optiniam stiprintuvui nėra kur gauti tokios įtampos, todėl jis sukuria didžiausią įmanomą maitinimo įtampą, minus 5 V.
Jei pradėsite kelti įtampą tiesioginiame įėjime, optinis stiprintuvas bandys nustatyti įtampos skirtumą tarp įėjimų, padaugintą iš 10000. Tai pavyks, kai įvesties įtampa priartės prie nulio ir taps maždaug minus 0,0005 V. Toliau didėjant įėjimo įtampai teigiamame įėjime, išėjimo įtampa kils iki nulio ar daugiau, o esant +0,0005 volto taps +5 voltais ir toliau didėti nebegalės. Taigi, kai įėjimo įtampa pereina nulinį lygį (tiksliau, nuo minus 0,0005 V iki +0,0005 V), išėjimo įtampa šokteli nuo minus 5 V iki +5 V. Kitaip tariant, kol įtampa tiesioginiame įėjime yra mažesnė už įtampą invertuojančiame įėjime, komparatoriaus išėjime nustatomas nulis. Jei didesnis, nustatomas vienas.
Įdomus yra lygio skirtumo įėjimuose nuo minus 0,0005 volto iki +0,0005 volto skirsnis. Teoriškai, perdavus šį parametrą, maitinimo įtampa nuo neigiamos iki teigiamos kils tolygiai. Praktikoje šis diapazonas yra labai siauras ir dėl trukdžių, triukšmo, maitinimo įtampos nestabilumo ir pan. Jei įtampos įėjimuose yra maždaug vienodos, komparatorius suveiks atsitiktinai abiem kryptimis. Kuo mažesnis optinio stiprintuvo stiprinimas, tuo platesnis bus šis nestabilumo langas. Jei komparatorius valdo pavaros mechanizmą, jis suveiks (relės spragtelėjimas, vožtuvo užsukimas ir pan.), todėl gali mechaniškai sugesti arba perkaisti.
Kad to išvengtumėte, įterpus brūkšnine linija pažymėtą rezistorių sukuriamas negilus teigiamas grįžtamasis ryšys. Taip sukuriama nedidelė histerezė, nes perjungimo slenksčiai pasislenka, kai įtampa didėja ir mažėja atskaitos atžvilgiu. Pavyzdžiui, į viršų komparatorius persijungia esant 0,1 V, o į apačią - esant lygiai nuliui (priklausomai nuo grįžtamojo ryšio gylio). Taip bus pašalintas nestabilumo langas. Šio rezistoriaus vardinė vertė gali būti nuo kelių šimtų kiloomų iki kelių megaomų. Kuo mažesnė varža, tuo didesnis skirtumas tarp slenksčių.
Taip pat galima įsigyti specializuotų komparatorių lustų. Pavyzdžiui, LM393. Jie turi greitąjį operacinį stiprintuvą (arba daugiau) ir gali turėti įmontuotą daliklį, užtikrinantį etaloninę įtampą. Kitas skirtumas tarp šių komparatorių ir optiniais stiprintuvais pagrįstų įtaisų yra tas, kad daugeliui jų reikia vienpusio maitinimo šaltinio. Daugumai op-ampų reikia dvipolės įtampos. Mikroschemos tipą lemia įrenginio konstrukcija.
Skaitmeninių komparatorių savybės
Komparatoriai taip pat naudojami skaitmeninėse technologijose, nors iš pirmo žvilgsnio tai gali skambėti paradoksaliai. Juk yra tik du įtampos lygiai - vienas ir nulis. Jų lyginimas neturi prasmės. Tačiau galima palyginti du dvejetainius skaičius, į kuriuos taip pat galima konvertuoti bet kokias analogines vertes (įskaitant įtampą).
Tarkime, kad yra du vienodo ilgio dvejetainiai žodžiai bitais:
X=X3X2X1X0 ir Y=Y3Y2Y1Y.
Jų vertė laikoma vienoda, jei visi bitai yra vienodi:
1101=1101 => X=Y.
Jei bent vienas bitas skiriasi, skaičiai nėra lygūs. Didesnis skaičius nustatomas lyginant bitą po bito, pradedant nuo didžiausio bito:
- 1101>101 - čia pirmasis X bitas yra didesnis už pirmąjį Y bitą, todėl X>Y;
- 1101>101 - pirmieji bitai yra vienodi, tačiau antrasis X bitas yra didesnis ir X>Y;
- 111<1110 - Y turi trečiuoju bitu daugiau, o X žemesniojo bito vertė nesvarbi, X
Šį palyginimą galima įgyvendinti naudojant I-NE, OR-NE bazinių elementų logines grandines, tačiau paprasčiau naudoti gatavus gaminius. Pavyzdžiui, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), buitiniai K564IP2 ir kitų serijų mikroschemos. Tai nuo 2 iki 8 skaitmenų komparatoriai su atitinkamu duomenų įėjimų ir valdymo įėjimų skaičiumi. Skaitmeninių komparatorių išėjimai dažniausiai yra 3:
- daugiau;
- mažiau nei;
- lygus.
Skirtingai nei analoginiuose įtaisuose, dvejetainių komparatorių atveju lygybė įėjimuose nėra nepageidautina situacija ir jos nevengiama.
Tokį įrenginį galima lengvai sukurti programiškai, naudojant Būlio algebros funkcijas. Taip pat daugelyje mikrovaldiklių yra įmontuoti analoginiai komparatoriai su atskirais išoriniais kaiščiais, kurie vidinei grandinei pateikia paruoštą dviejų verčių palyginimo rezultatą kaip 0 arba 1. Taip taupomi mažų kompiuterinių sistemų ištekliai.
Kai naudojamas įtampos komparatorius
Komparatorius naudojamas įvairiose srityse. Pavyzdžiui, jame galima sukurti slenkstinę relę. Reikėtų jutiklio, kuris bet kokį dydį paverstų įtampa. Tokia vertė gali būti:
- šviesos lygis;
- triukšmo lygis;
- skysčio lygis talpykloje arba rezervuare;
- bet kokia kita reikšmė.
Potenciometru galima nustatyti komparatoriaus lygį. Išvesties signalas perduodamas indikatoriui arba vykdomajai srovei per raktą.
Padidinus histerezę, komparatorius gali veikti kaip Šmito trigeris. Kai į įėjimą įjungiama lėtai kintanti įtampa, išėjimas yra dvejetainis signalas stačiais kraštais.
Du elementai gali būti sujungti į dvigubo slenksčio komparatorių arba langų komparatorių.
Šiuo atveju slenkstinė įtampa nustatoma atskirai kiekvienam komparatoriui - viršutiniam komparatoriui tiesioginiame įėjime ir apatiniam komparatoriui atvirkštiniame įėjime. Laisvieji įėjimai sujungiami ir prie jų prijungiama matuojama įtampa. Išėjimai yra sujungti OR jungtimi. Kai įtampa viršija nustatytą viršutinę arba apatinę ribą, vienas iš komparatorių išveda aukštą lygį.
Daugiapakopis komparatorius surenkamas iš kelių elementų, kurie gali būti naudojami kaip linijinis įtampos indikatorius arba vertė, konvertuojama į įtampą. Keturių lygių grandinė būtų tokia:
Šioje grandinėje į kiekvieno elemento įėjimą tiekiama skirtinga atskaitos įtampa. Invertuojantys įėjimai sujungiami ir į juos paduodamas matuojamasis signalas. Pasiekus suveikimo lygį, užsidega atitinkamas šviesos diodas. Jei spinduliuojantys elementai išdėstyti viena linija, gaunama šviesos juosta, kurios ilgis kinta priklausomai nuo paduodamos įtampos lygio.
Tą pačią grandinę galima naudoti ir kaip analoginį skaitmeninį keitiklį (ADC). Jis konvertuoja įėjimo įtampą į atitinkamą dvejetainį kodą. Kuo daugiau ADC elementų, tuo didesnė skiriamoji geba, tuo tikslesnis konvertavimas. Praktikoje linijinį kodą naudoti nepatogu, todėl jis konvertuojamas į pažįstamą kodą naudojant koduotuvą. Kodavimo įtaisą galima sukurti naudojant loginius elementus, gatavas mikroschemas arba ROM su atitinkama programine įranga.
Komparatorių taikymo sritis profesionaliose ir mėgėjiškose grandinėse yra plati. Kompetentingas šių elementų taikymas leidžia spręsti įvairias užduotis.
Susiję straipsniai:
