Όταν σχεδιάζετε ηλεκτρονικά κυκλώματα, είναι συχνά απαραίτητο να συγκρίνετε το επίπεδο δύο τάσεων. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιείται μια συσκευή όπως ένας συγκριτής. Το όνομα της μονάδας προέρχεται από το λατινικό comparare, ή μάλλον συγκρίνω.
Περιεχόμενα
Τι είναι ένας συγκριτής τάσης
Ένας συγκριτής είναι γενικά μια διάταξη με δύο εισόδους για τις τιμές (τάσεις) που συγκρίνονται και μια έξοδο για το αποτέλεσμα της σύγκρισης. Ο συγκριτής έχει δύο εισόδους για τις τιμές που συγκρίνονται, μια άμεση και μια αντίστροφη είσοδο. Η έξοδος τίθεται σε λογική τιμή ένα εάν η άμεση τάση εισόδου υπερβαίνει την αντίστροφη τάση και μηδέν εάν συμβαίνει το αντίστροφο. Ένας συγκριτής ονομάζεται αντιστρεπτικός συγκριτής εάν η διαφορά μεταξύ της άμεσης και της αντίστροφης εισόδου είναι θετική και μηδέν στην αντίθετη περίπτωση.
Αρχή λειτουργίας του συγκριτή
Είναι βολικό να κατασκευάσετε έναν συγκριτή χρησιμοποιώντας λειτουργικός ενισχυτής (OP-AMP). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιεί άμεσα τις ιδιότητές του:
- Η ενίσχυση της διαφοράς σήματος μεταξύ της απευθείας και της αναστρέφουσας εισόδου,
- άπειρο (στην πράξη, από 10.000 και πάνω) κέρδος.
Η λειτουργία του DT ως συγκριτή μπορεί να εξεταστεί με το ακόλουθο κύκλωμα:
Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένας ενισχυτής op-amp με κέρδος 10000, η τάση τροφοδοσίας είναι διπολική, + 5 V και μείον 5 V. Το διαχωριστικό έχει ρυθμιστεί σε επίπεδο αναφοράς ακριβώς 0 βολτ στην αναστρέφουσα είσοδο, η άμεση είσοδος λαμβάνεται στα μείον 5 βολτ από τον ρυθμιστή του ποτενσιόμετρου. Ο τελεστικός ενισχυτής θα πρέπει να ενισχύσει τη διαφορά κατά 10.000 φορές, θεωρητικά θα πρέπει να εμφανιστεί στην έξοδο μια τάση μείον 50.000 βολτ. Όμως δεν υπάρχει πουθενά για τον οπ-ενισχυτή να πάρει μια τέτοια τάση, οπότε δημιουργεί τη μέγιστη δυνατή τάση τροφοδοσίας, μείον 5 βολτ.
Εάν αρχίσετε να αυξάνετε την τάση στην άμεση είσοδο, ο Op-Amp θα προσπαθήσει να ρυθμίσει τη διαφορά τάσης μεταξύ των εισόδων, πολλαπλασιασμένη επί 10000. Θα πετύχει όταν η τάση εισόδου πλησιάσει το μηδέν και γίνει περίπου μείον 0,0005V. Καθώς η τάση εισόδου αυξάνεται περαιτέρω στη θετική είσοδο, η τάση εξόδου θα αυξηθεί στο μηδέν ή υψηλότερα και στα +0,0005 βολτ θα γίνει +5 βολτ και δεν είναι δυνατή περαιτέρω αύξηση. Έτσι, όταν η τάση εισόδου περάσει το μηδενικό επίπεδο (μείον 0,0005 βολτ έως +0,0005 βολτ για την ακρίβεια) θα υπάρξει ένα άλμα στην τάση εξόδου από μείον 5 βολτ έως +5 βολτ. Με άλλα λόγια, εφόσον η τάση στην άμεση είσοδο είναι χαμηλότερη από εκείνη στην αναστρέφουσα είσοδο, στην έξοδο του συγκριτή τίθεται μηδέν. Εάν είναι υψηλότερη, ορίζεται μία.
Ενδιαφέρον παρουσιάζει το τμήμα της διαφοράς στάθμης στις εισόδους από μείον 0,0005 βολτ έως +0,0005 βολτ. Θεωρητικά, το πέρασμα αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα μια ομαλή αύξηση από την αρνητική στη θετική τάση τροφοδοσίας. Στην πράξη το εύρος αυτό είναι πολύ στενό και οφείλεται σε παρεμβολές, θόρυβο, αστάθεια της τάσης τροφοδοσίας κ.λπ. Εάν οι τάσεις στις εισόδους είναι περίπου ίσες, θα υπάρχει τυχαία ενεργοποίηση του συγκριτή και προς τις δύο κατευθύνσεις. Όσο χαμηλότερο είναι το κέρδος του ενισχυτή op-amp, τόσο μεγαλύτερο θα είναι αυτό το παράθυρο αστάθειας. Εάν ο συγκριτής ελέγχει έναν ενεργοποιητή, θα τον προκαλέσει να ενεργοποιηθεί στο ρυθμό (κλικ ρελέ, χτύπημα βαλβίδας κ.λπ.), γεγονός που μπορεί να προκαλέσει μηχανική θραύση ή υπερθέρμανση.
Για να αποφευχθεί αυτό, δημιουργείται μια ρηχή θετική ανάδραση με την ενσωμάτωση της αντίστασης που υποδεικνύεται από τη διακεκομμένη γραμμή. Αυτό δημιουργεί μια μικρή υστέρηση μετατοπίζοντας τα κατώφλια μεταγωγής όταν η τάση ανεβαίνει και κατεβαίνει σε σχέση με την αναφορά. Για παράδειγμα, επάνω ο συγκριτής θα αλλάξει στα 0,1 βολτ και κάτω ακριβώς στο μηδέν (ανάλογα με το βάθος της ανατροφοδότησης). Αυτό θα εξαλείψει το παράθυρο αστάθειας. Η ονομαστική τιμή αυτής της αντίστασης μπορεί να είναι από μερικές εκατοντάδες kilohms έως μερικά megaohms. Όσο μικρότερη είναι η αντίσταση, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεταξύ των ορίων.
Διατίθενται επίσης εξειδικευμένα τσιπ συγκριτών. Το LM393 για παράδειγμα. Αυτά διαθέτουν έναν γρήγορο λειτουργικό ενισχυτή (ή περισσότερους) και μπορεί να έχουν ενσωματωμένο διαιρέτη που παρέχει τάση αναφοράς. Μια άλλη διαφορά μεταξύ αυτών των συγκριτών και των συσκευών που βασίζονται σε Op-Amps είναι ότι πολλοί από αυτούς απαιτούν τροφοδοσία ρεύματος μονής κατεύθυνσης. Οι περισσότεροι οπ-ενισχυτές χρειάζονται διπολική τάση. Η επιλογή του τύπου του τσιπ καθορίζεται από το σχεδιασμό της συσκευής.
Χαρακτηριστικά των ψηφιακών συγκριτών
Οι συγκριτές χρησιμοποιούνται επίσης στην ψηφιακή τεχνολογία, αν και αυτό μπορεί να ακούγεται παράδοξο με την πρώτη ματιά. Εξάλλου, υπάρχουν μόνο δύο επίπεδα τάσης - το ένα και το μηδέν. Η σύγκρισή τους δεν έχει νόημα. Είναι όμως δυνατή η σύγκριση δύο δυαδικών αριθμών στους οποίους μπορούν επίσης να μετατραπούν οποιεσδήποτε αναλογικές τιμές (συμπεριλαμβανομένης της τάσης).
Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο δυαδικές λέξεις ίσου μήκους σε bits:
X=X3X2X1X0 και Y=Y3Y2Y1Y.
Θεωρούνται ίσες σε αξία εάν όλα τα bit είναι ίσα κατά bit:
1101=1101 => X=Y.
Αν τουλάχιστον ένα bit είναι διαφορετικό, τότε οι αριθμοί δεν είναι ίσοι. Ο μεγαλύτερος αριθμός καθορίζεται με σύγκριση bit προς bit, ξεκινώντας από το υψηλότερο bit:
- 1101>101 - εδώ το πρώτο bit του X είναι μεγαλύτερο από το πρώτο bit του Y και X>Y,
- 1101>101 - τα πρώτα bits είναι ίσα, αλλά το δεύτερο bit του X είναι μεγαλύτερο και X>Y,
- 111<1110 - Το Y έχει το τρίτο bit περισσότερο και η τιμή του χαμηλότερου bit του X δεν έχει σημασία, X
Η υλοποίηση αυτής της σύγκρισης μπορεί να κατασκευαστεί σε λογικά κυκλώματα I-NE, OR-NE βασικών στοιχείων, αλλά είναι ευκολότερο να χρησιμοποιηθούν έτοιμα προϊόντα. Για παράδειγμα, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), εγχώρια K564IP2 και άλλες σειρές μικροκυκλωμάτων. Πρόκειται για συγκριτές 2 έως 8 ψηφίων με αντίστοιχο αριθμό εισόδων δεδομένων και εισόδων ελέγχου. Οι έξοδοι των ψηφιακών συγκριτών είναι στις περισσότερες περιπτώσεις 3:
- περισσότερα,
- λιγότερο από,
- ίσο.
Σε αντίθεση με τις αναλογικές συσκευές, στους δυαδικούς συγκριτές η ισότητα στις εισόδους δεν είναι ανεπιθύμητη κατάσταση και δεν αποφεύγεται.
Μια τέτοια συσκευή μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί προγραμματιστικά χρησιμοποιώντας συναρτήσεις άλγεβρας Boole. Εναλλακτικά, πολλοί μικροελεγκτές διαθέτουν ενσωματωμένους αναλογικούς συγκριτές, με ξεχωριστούς εξωτερικούς ακροδέκτες, οι οποίοι δίνουν στο εσωτερικό κύκλωμα ένα έτοιμο αποτέλεσμα σύγκρισης δύο τιμών ως 0 ή 1. Αυτό εξοικονομεί πόρους μικρών υπολογιστικών συστημάτων.
Όταν χρησιμοποιείται συγκριτής τάσης
Ο συγκριτής χρησιμοποιείται σε ευρύ φάσμα εφαρμογών. Για παράδειγμα, μπορεί να κατασκευαστεί ένα ρελέ κατωφλίου. Απαιτείται ένας αισθητήρας που μετατρέπει οποιαδήποτε ποσότητα σε τάση. Μια τέτοια τιμή μπορεί να είναι:
- επίπεδο φωτισμού,
- επίπεδο θορύβου,
- στάθμη του υγρού στο δοχείο ή τη δεξαμενή,
- οποιαδήποτε άλλη τιμή.
Το ποτενσιόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη ρύθμιση της στάθμης του συγκριτή. Το σήμα εξόδου δίνεται μέσω ενός πλήκτρου σε έναν δείκτη ή ενεργοποιητή.
Εάν η υστέρηση αυξηθεί, ο συγκριτής μπορεί να λειτουργήσει ως σκανδάλη Schmitt. Όταν μια αργά μεταβαλλόμενη τάση εφαρμόζεται στην είσοδο, η έξοδος είναι δυαδικό σήμα με απότομες ακμές.
Δύο στοιχεία μπορούν να συνδεθούν για να σχηματίσουν έναν συγκριτή διπλού κατωφλίου ή συγκριτή παραθύρου.
Εδώ, η τάση κατωφλίου ρυθμίζεται ξεχωριστά για κάθε συγκριτή - τον ανώτερο συγκριτή στην άμεση είσοδο και τον κατώτερο συγκριτή στην αντίστροφη είσοδο. Οι ελεύθερες είσοδοι συνδυάζονται και σε αυτές εφαρμόζεται η προς μέτρηση τάση. Οι έξοδοι είναι συνδεδεμένες με OR. Όταν η τάση υπερβαίνει το καθορισμένο ανώτερο ή κατώτερο όριο, ένας από τους συγκριτές βγάζει υψηλή στάθμη.
Ένας συγκριτής πολλαπλών επιπέδων συναρμολογείται από διάφορα στοιχεία, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως γραμμικός δείκτης τάσης ή ως τιμή που μετατρέπεται σε τάση. Για τέσσερα επίπεδα, το κύκλωμα έχει ως εξής:
Σε αυτό το κύκλωμα, μια διαφορετική τάση αναφοράς εφαρμόζεται στην είσοδο κάθε στοιχείου. Οι αναστρέφουσες είσοδοι συνδέονται μεταξύ τους και σε αυτές εφαρμόζεται το προς μέτρηση σήμα. Όταν επιτευχθεί το επίπεδο ενεργοποίησης, ανάβει η αντίστοιχη λυχνία LED. Εάν τα στοιχεία εκπομπής είναι τοποθετημένα σε μια γραμμή, προκύπτει μια φωτεινή ράβδος, το μήκος της οποίας μεταβάλλεται ανάλογα με το επίπεδο της εφαρμοζόμενης τάσης.
Το ίδιο κύκλωμα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (ADC). Μετατρέπει την τάση εισόδου σε κατάλληλο δυαδικό κώδικα. Όσο περισσότερα στοιχεία περιλαμβάνονται στον ADC, τόσο υψηλότερη είναι η ανάλυση, τόσο ακριβέστερη η μετατροπή. Στην πράξη, ο γραμμικός κώδικας είναι άβολος στη χρήση και μετατρέπεται σε έναν οικείο κώδικα μέσω ενός κωδικοποιητή. Ο κωδικοποιητής μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας λογικά στοιχεία, έτοιμα μικροκυκλώματα ή ROM με το κατάλληλο υλικολογισμικό.
Το πεδίο εφαρμογής των συγκριτών σε επαγγελματικά και ερασιτεχνικά κυκλώματα είναι ευρύ. Η ικανή εφαρμογή αυτών των στοιχείων επιτρέπει την επίλυση ενός ευρέος φάσματος εργασιών.
Σχετικά άρθρα:
