電子回路を設計する場合、2 つの電圧のレベルを比較することが必要になることがよくあります。この目的のために、コンパレータなどのデバイスが使用されます。ノードの名前は、ラテン語の比較、または比較する英語に戻ります。
電圧コンパレータとは
一般的に言えば、コンパレータは、比較される値 (電圧) の 2 つの入力と、比較結果の出力を備えたデバイスです。コンパレータには、比較されるパラメータを供給するための 2 つの入力 (直接および反転) があります。直接入力の電圧が逆入力の電圧を超える場合、出力は論理 1 に設定され、逆の場合はゼロに設定されます。反転入力と直接入力の間の正の差が 1 に等しく、逆の状況でゼロに等しい場合、コンパレータは反転コンパレータと呼ばれます。
コンパレータの動作原理
を使用してコンパレータを作成すると便利です。 オペアンプ (オペアンプ)。この目的のために、そのプロパティが直接使用されます。
- 直接入力と反転入力の間の信号差の増幅。
- 無限（実際には-10000以上）のゲイン。
コンパレータとしての DT の働きは、次の回路で考えることができます。
ゲインが 10000 の DT があるとします。電源電圧はバイポーラで、+ 5 V とマイナス 5 V です。 ディバイダー 反転入力で正確に 0 ボルトの基準レベルに設定され、直接入力でポテンショメーター スライダーからマイナス 5 ボルトが取得されます。オペアンプは差を10000倍に増幅する必要があり、理論的には出力にはマイナス50000ボルトの電圧が必要です。しかし、オペアンプがそのような電圧を取得する場所がないため、可能な限り最大の供給電圧 - 5 ボルトを作成します。
直接入力で電圧を上げ始めると、オペアンプは入力間の電圧差を 10000 倍に設定しようとします。入力電圧がゼロに近づき、約マイナス 0.0005V になると成功します。正の入力で入力電圧がさらに増加すると、出力電圧はゼロ以上に上昇し、+0.0005ボルトで+5 Vに等しくなり、それ以上上昇しません-どこにもありません。したがって、入力電圧がゼロレベル (より正確には、マイナス 0.0005 ボルトから +0.0005 ボルト) を通過すると、出力電圧がマイナス 5 ボルトから +5 ボルトにジャンプします。つまり、直接入力の電圧が反転入力の電圧よりも低い限り、コンパレータ出力はゼロに設定されます。高い場合は 1 です。
興味深いのは、マイナス 0.0005 ボルトから + 0.0005 ボルトまでの入力におけるレベル差のセクションです。理論的には、負の電源電圧から正の電源電圧までスムーズに上昇します。実際には、この範囲は非常に狭く、ノイズ、干渉、供給電圧の不安定性などにより、入力の電圧がほぼ等しい場合、両方向でコンパレータの無秩序なトリガが発生します。オペアンプのゲインが低いほど、この不安定なウィンドウは広くなります。コンパレーターがアクチュエーターを制御すると、アクチュエーターが正常に動作しなくなり (リレーのクリック、バルブのスラミングなど)、機械的な故障や過熱につながる可能性があります。
これを回避するために、破線で示した抵抗をオンにすることで浅い正帰還を作ります。これにより、リファレンスに対して電圧が上下するときにスイッチングしきい値がシフトすることで、わずかなヒステリシスが生じます。たとえば、コンパレーターを上げると 0.1 ボルトで切り替わり、下がると正確にゼロになります (フィードバックの深さによって異なります)。これにより、不安定なウィンドウが解消されます。この抵抗器の定格は、数百キロオームから数メガオームです。抵抗が低いほど、しきい値間の差が大きくなります。
専用のコンパレータチップもご用意しています。たとえば、LM393。これらのチップには、高速のオペアンプ (または複数) があり、基準電圧を生成する分圧器が組み込まれている場合があります。これらのコンパレータとオペアンプ上に構築されたデバイスのもう 1 つの違いは、それらの多くがシングルエンド電源を必要とすることです。ほとんどの opacitors はバイポーラ電圧を必要とします。チップ タイプの選択は、デバイスの設計によって決まります。
デジタルコンパレータの特長
コンパレータはデジタル技術でも使用されていますが、一見逆説的に聞こえます。結局のところ、電圧レベルは 1 と 0 の 2 つしかありません。それらを比較しても意味がありません。ただし、2 つの 2 進数を比較して、任意のアナログ値 (電圧を含む) に変換することもできます。
ビット単位で同じ長さの 2 つのバイナリ ワードがあるとします。
X=X3バツ2バツ1バツ0 そしてY=Y3よ2よ1よ.
すべてのビットがビットごとに等しい場合、それらは値が等しいと見なされます。
1101=1101 => X=Y.
少なくとも 1 ビットが異なる場合、数値は等しくありません。大きい方の数は、最上位ビットから始まるビットごとの比較によって決定されます。
- 1101>101 - X の最初のビットが Y の最初のビットよりも大きく、X>Y;
- 1101>101 - 最初のビットは同じですが、X の 2 番目のビットの方が大きく、X>Y です。
- 111<1110 - Y の 3 番目のビットが大きく、X の下位ビットの値が大きくても問題ありません。X<>
このような比較の実装は、I-NE、OR-NE ベース エレメント ロジック回路で構築できますが、既製の製品を使用する方が簡単です。たとえば、4063（CMOS）、7485（TTL）、国内のK564IP2、およびその他の一連のマイクロ回路です。これらは、対応する数のデータ入力と制御入力を備えた 2 ～ 8 ビットのコンパレータです。デジタル コンパレータの出力は、ほとんどの場合 3 です。
- もっと;
- 未満;
- 同等。
アナログ デバイスとは異なり、バイナリ コンパレータの入力が等しいことは望ましくない状況ではなく、回避しようとはしません。
このようなデバイスは、ブール代数関数を使用して簡単に構築できます。別の方法として、多くのマイクロコントローラには、別の外部ピンを備えたオンボードのアナログ コンパレータがあり、2 つの値を 0 または 1 として比較する既製の結果を内部回路に提供します。これにより、小規模なコンピュータ システムのリソースが節約されます。
電圧コンパレータを使用する場合
コンパレータは幅広いアプリケーションで使用されます。たとえば、しきい値リレーを構築するために使用できます。これには、任意の値を電圧に変換するセンサーが必要です。このような値は次のようになります。
- 照度のレベル;
- 騒音レベル;
- 容器またはタンク内の液体レベル;
- その他の値。
ポテンショメータを使用して、コンパレータの応答レベルを設定できます。出力信号は、キーを介してインジケータまたはアクチュエータに与えられます。
ヒステリシスを大きくすると、コンパレータはシュミット トリガとして機能します。ゆっくりと変化する電圧が入力に印加されると、出力は次のようになります。 離散信号 急なエッジで。
2 つの要素は、デュアルしきい値コンパレータまたはウィンドウ コンパレータで接続できます。
ここで、スレッショルド電圧はコンパレータごとに個別に設定されます - 直接入力の上位のもの、反転入力の下位のもの。自由な入力が結合され、測定された電圧がそれらに適用されます。出力は「実装OR」回路に従って接続されています。電圧が設定された上限または下限を超えると、コンパレータの 1 つが出力にハイレベルを与えます。
マルチレベル コンパレータは、いくつかの要素から構成されており、線形電圧インジケータとして、または電圧に変換された値として使用できます。 4 レベルの場合、回路は次のようになります。
この回路では、各要素の入力に異なる基準電圧が適用されます。反転入力が互いに接続され、測定対象の信号が入力されます。トリガーレベルに達すると、対応する LED が点灯します。発光素子を一列に並べると、印加電圧のレベルに応じて長さが変化するライトバーが得られます。
同じ回路をアナログ デジタル コンバータ (ADC) として使用できます。入力電圧を対応するバイナリコードに変換します。 ADC に含まれる要素が多いほど、桁数が多いほど、変換の精度が高くなります。実際には、ラインコードは使いにくく、エンコーダーの助けを借りて通常のコードに変換されます。エンコーダは、論理要素上に構築することも、既製のマイクロ回路を使用することも、適切なファームウェアを備えた ROM を使用することもできます。
プロおよびアマチュア回路におけるコンパレータの適用範囲は広い。これらの要素を適切に適用することで、幅広いタスクを解決できます。
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