Quando si progettano circuiti elettronici, è spesso necessario confrontare il livello di due tensioni. Per fare questo, viene utilizzato un dispositivo come un comparatore. Il nome dell'unità deriva dal latino comparare, ovvero confrontare.
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Cos'è un comparatore di tensione
Un comparatore è generalmente un dispositivo con due ingressi per i valori (tensioni) da confrontare e un'uscita per il risultato del confronto. Il comparatore ha due ingressi per alimentare i valori confrontati, un ingresso diretto e uno inverso. L'uscita è impostata su uno logico se la tensione di ingresso diretta supera la tensione inversa e zero se viceversa. Un comparatore è chiamato comparatore invertente se la differenza tra gli ingressi diretti e inversi è positiva e zero nella situazione opposta.
Principio di funzionamento del comparatore
È conveniente costruire un comparatore usando amplificatore operativo (OP-AMP). A tal fine utilizza direttamente le sue proprietà:
- L'amplificazione della differenza di segnale tra l'ingresso diretto e quello invertente;
- guadagno infinito (in pratica, da 10.000 in su).
Il funzionamento del DT come comparatore può essere considerato con il seguente circuito:
Supponiamo che ci sia un op-amp con un guadagno di 10000, la tensione di alimentazione è bipolare, + 5 V e meno 5 V. Il divisore è impostato su un livello di riferimento di esattamente 0 volt all'ingresso invertente, l'ingresso diretto è preso a meno 5 volt dal cursore del potenziometro. L'op-amp dovrebbe amplificare la differenza di 10.000 volte, teoricamente una tensione di meno 50.000 volt dovrebbe apparire all'uscita. Ma non c'è nessun posto dove l'op-amp possa ottenere una tale tensione, quindi crea la massima tensione di alimentazione possibile, meno 5 volt.
Se si inizia ad aumentare la tensione all'ingresso diretto, l'Op-Amp cercherà di impostare la differenza di tensione tra gli ingressi, moltiplicata per 10000. Avrà successo quando la tensione d'ingresso si avvicina allo zero e diventa circa meno 0,0005V. Man mano che la tensione d'ingresso aumenta ulteriormente all'ingresso positivo, la tensione d'uscita salirà a zero o più in alto, e a +0,0005 volt diventerà +5 volt e non sarà possibile un ulteriore aumento. Così, quando la tensione d'ingresso passa il livello zero (meno 0,0005 volt a +0,0005 volt per essere esatti) ci sarà un salto nella tensione di uscita da meno 5 volt a +5 volt. In altre parole, finché la tensione all'ingresso diretto è inferiore a quella all'ingresso invertente, lo zero è impostato all'uscita del comparatore. Se più alto, uno è impostato.
Di interesse è la sezione della differenza di livello agli ingressi da meno 0,0005 volt a +0,0005 volt. In teoria, passando questo risulterà in un aumento regolare dalla tensione di alimentazione negativa a quella positiva. In pratica questo intervallo è molto stretto e a causa di interferenze, rumore, instabilità della tensione di alimentazione, ecc. Se le tensioni agli ingressi sono approssimativamente uguali, ci sarà un innesco casuale del comparatore in entrambe le direzioni. Più basso è il guadagno dell'op-amp, più ampia sarà questa finestra di instabilità. Se il comparatore controlla un attuatore, questo lo farà scattare sul battito (clic del relè, sbattimento della valvola, ecc.) che può causare la rottura meccanica o il surriscaldamento.
Per evitare questo, si crea un feedback positivo poco profondo incorporando la resistenza indicata dalla linea tratteggiata. Questo crea una leggera isteresi spostando le soglie di commutazione quando la tensione sale e scende rispetto al riferimento. Per esempio, su il comparatore commuterà a 0,1 volt e giù esattamente a zero (a seconda della profondità della retroazione). Questo eliminerà la finestra di instabilità. Il valore di questa resistenza può essere da qualche centinaio di kilohms a qualche megaohms. Più bassa è la resistenza, maggiore è la differenza tra le soglie.
Sono disponibili anche chip di comparazione specializzati. L'LM393 per esempio. Questi hanno un amplificatore operazionale veloce (o più) e possono avere un divisore incorporato che fornisce una tensione di riferimento. Un'altra differenza tra questi comparatori e i dispositivi basati su Op-Amp è che molti di loro richiedono un'alimentazione single-ended. La maggior parte degli op-amp ha bisogno di una tensione bipolare. La scelta del tipo di chip è determinata dal design del dispositivo.
Caratteristiche dei comparatori digitali
I comparatori sono utilizzati anche nella tecnologia digitale, anche se questo può sembrare paradossale a prima vista. Dopo tutto, ci sono solo due livelli di tensione: uno e zero. Paragonarli non ha senso. Ma è possibile confrontare due numeri binari in cui qualsiasi valore analogico (compresa la tensione) può anche essere convertito.
Supponiamo che ci siano due parole binarie di uguale lunghezza in bit:
X=X3X2X1X0 e Y=Y3Y2Y1Y.
Sono considerati uguali in valore se tutti i bit sono bitwise uguali:
1101=1101 => X=Y.
Se almeno un bit è diverso, allora i numeri non sono uguali. Il numero più alto è determinato da un confronto bit per bit, partendo dal bit più alto:
- 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 più grande e X>Y;
- 111<1110 - Y ha il terzo bit in più e il valore del bit inferiore di X è irrilevante, X
L'implementazione di questo confronto può essere costruita su circuiti logici a elementi base I-NE, OR-NE, ma è più facile utilizzare prodotti off-the-shelf. Per esempio, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domestico e altre serie di microcircuiti. Sono comparatori da 2 a 8 cifre con un numero corrispondente di ingressi dati e di ingressi di controllo. Le uscite dei comparatori digitali sono nella maggior parte dei casi 3:
- di più;
- meno di;
- uguale.
A differenza dei dispositivi analogici, con i comparatori binari l'uguaglianza agli ingressi non è una situazione indesiderabile e non viene evitata.
Un tale dispositivo può essere facilmente costruito programmaticamente usando funzioni di algebra booleana. In alternativa, molti microcontrollori hanno comparatori analogici a bordo, con pin esterni separati, che danno al circuito interno un risultato pronto per confrontare due valori come 0 o 1. Questo risparmia le risorse dei piccoli sistemi informatici.
Quando si usa un comparatore di tensione
Il comparatore è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni. Per esempio, un relè di soglia può essere costruito su di esso. Sarebbe necessario un sensore che converta qualsiasi quantità in tensione. Un tale valore può essere:
- livello di luce;
- livello di rumore;
- livello del liquido nel recipiente o nel serbatoio;
- qualsiasi altro valore.
Il potenziometro può essere utilizzato per impostare il livello del comparatore. Il segnale di uscita viene dato attraverso una chiave ad un indicatore o ad un attuatore.
Se l'isteresi è aumentata, il comparatore può agire come un trigger di Schmitt. Quando all'ingresso viene applicata una tensione che varia lentamente, l'uscita è segnale binario con bordi ripidi.
Due elementi possono essere collegati per formare un comparatore a doppia soglia, o comparatore a finestra.
Qui, la tensione di soglia è impostata separatamente per ogni comparatore - il comparatore superiore sull'ingresso diretto e il comparatore inferiore sull'ingresso inverso. Gli ingressi liberi sono combinati e la tensione da misurare viene applicata ad essi. Le uscite sono collegate in OR. Quando la tensione supera il limite superiore o inferiore impostato, uno dei comparatori emette un livello alto.
Un comparatore multilivello è assemblato da diversi elementi, che possono essere utilizzati come un indicatore di tensione lineare, o un valore che viene convertito in tensione. Per quattro livelli, il circuito sarebbe il seguente:
In questo circuito, una diversa tensione di riferimento è applicata all'ingresso di ogni elemento. Gli ingressi invertenti sono collegati insieme e il segnale da misurare viene applicato ad essi. Quando il livello di attivazione viene raggiunto, il LED corrispondente si accende. Se gli elementi emettitori sono disposti in linea, si ottiene una barra luminosa la cui lunghezza varia a seconda del livello della tensione applicata.
Lo stesso circuito può anche essere usato come un convertitore analogico-digitale (ADC). Converte la tensione d'ingresso in un codice binario appropriato. Più elementi sono inclusi nell'ADC, più alta è la risoluzione, più accurata è la conversione. In pratica, il codice di linea è scomodo da usare, e viene convertito in un codice familiare per mezzo di un codificatore. L'encoder può essere costruito utilizzando elementi logici, microcircuiti off-the-shelf, o ROM con il firmware appropriato.
La sfera di applicazione dei comparatori nei circuiti professionali e amatoriali è ampia. L'applicazione competente di questi elementi permette di risolvere una vasta gamma di compiti.
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