Projektējot elektroniskās shēmas, bieži ir nepieciešams salīdzināt divu spriegumu līmeņus. Šim nolūkam tiek izmantota tāda ierīce kā komparators. Vienības nosaukums cēlies no latīņu comparare jeb salīdzināt.
Saturs
Kas ir sprieguma komparators
Komparators parasti ir ierīce ar divām salīdzināmo vērtību (spriegumu) ieejām un salīdzināšanas rezultāta izeju. Komparatoram ir divas ieejas salīdzināmo vērtību ievadīšanai - tiešā un inversā ieeja. Ja tiešais ieejas spriegums pārsniedz apgriezto spriegumu, izejā tiek iestatīts loģiskais vienāds, un, ja ir otrādi, - nulle. Komparatoru sauc par invertu komparatoru, ja starpība starp tiešo un inverso ieeju ir pozitīva, bet pretējā gadījumā - nulle.
Komparatora darbības princips
Ir ērti izveidot komparatoru, izmantojot operatīvais pastiprinātājs (OP-AMP). Šim nolūkam tā tieši izmanto savas īpašības:
- Signāla starpības pastiprināšana starp tiešo un invertora ieeju;
- bezgalīgs (praksē no 10 000 un vairāk) pieaugums.
DT kā komparatora darbību var aplūkot ar šādu shēmu:
Pieņemsim, ka ir op-amp ar pastiprinājumu 10000, barošanas spriegums ir bipolārs, + 5 V un mīnus 5 V. Dalītājs ir iestatīts uz atskaites līmeni, kas ir tieši 0 volti invertora ieejā, tiešā ieeja tiek ņemta ar mīnus 5 voltiem no potenciometra slīdņa. Op-amp pastiprinātājam starpība jāpastiprina 10 000 reižu, teorētiski izejā vajadzētu parādīties spriegumam mīnus 50 000 voltu. Taču op-amp nav kur iegūt šādu spriegumu, tāpēc tas rada maksimālo iespējamo barošanas spriegumu mīnus 5 volti.
Ja jūs sākat paaugstināt spriegumu pie tiešās ieejas, Op-Amp mēģinās iestatīt sprieguma starpību starp ieejām, kas reizināta ar 10000. Tas izdosies, kad ieejas spriegums tuvosies nullei un kļūs aptuveni mīnus 0,0005 V. Ieejas spriegumam turpinot palielināties pie pozitīvās ieejas, izejas spriegums pieaugs līdz nullei vai augstāk, un pie +0,0005 voltu sprieguma kļūs +5 volti, un turpmāks pieaugums vairs nav iespējams. Tādējādi, kad ieejas spriegums šķērso nulles līmeni (precīzāk, no mīnus 0,0005 voltu līdz +0,0005 voltu līmenim), izejas spriegums lēkā no mīnus 5 voltiem līdz +5 voltiem. Citiem vārdiem sakot, kamēr vien spriegums pie tiešās ieejas ir zemāks par spriegumu pie invertora ieejas, komparatora izejā tiek iestatīta nulle. Ja tas ir lielāks, tiek iestatīts viens.
Interesants ir līmeņa starpības posms pie ieejām no mīnus 0,0005 voltu līdz +0,0005 voltu. Teorētiski, to izlaižot, tiks panākts vienmērīgs pieaugums no negatīva uz pozitīvu barošanas spriegumu. Praksē šis diapazons ir ļoti šaurs, un traucējumu, trokšņu, barošanas sprieguma nestabilitātes utt. dēļ. Ja spriegumi pie ieejām ir aptuveni vienādi, komparators darbosies nejauši abos virzienos. Jo mazāks ir op-amp pastiprinājums, jo plašāks ir šis nestabilitātes logs. Ja komparators kontrolē izpildmehānismu, tas izraisīs tā ieslēgšanos (releja klikšķināšana, vārsta aizvēršanās utt.), kas var izraisīt tā mehānisku bojājumu vai pārkaršanu.
Lai no tā izvairītos, tiek izveidota sekla pozitīva atgriezeniskā saite, pievienojot ar pārtraukto līniju iezīmēto rezistoru. Tas rada nelielu histerezi, pārvietojot pārslēgšanas sliekšņus, kad spriegums palielinās un samazinās attiecībā pret atskaites vērtību. Piemēram, uz augšu komparators pārslēgsies pie 0,1 volta, bet uz leju - tieši pie nulles (atkarībā no atgriezeniskās saites dziļuma). Tas novērsīs nestabilitātes logu. Šī rezistora nominālais lielums var būt no dažiem simtiem kiloomu līdz dažiem megaomiem. Jo zemāka pretestība, jo lielāka starpība starp robežvērtībām.
Ir pieejamas arī specializētas komparatoru mikroshēmas. Piemēram, LM393. Tiem ir ātrdarbīgs operacionālais pastiprinātājs (vai vairāki), un tiem var būt iebūvēts dalītājs, kas nodrošina atskaites spriegumu. Vēl viena atšķirība starp šiem komparatoriem un ierīcēm, kas balstās uz optiskajiem pārveidotājiem, ir tā, ka daudziem no tiem nepieciešams vienpusējs barošanas avots. Lielākajai daļai op-ampu ir nepieciešams divpolārs spriegums. Mikroshēmas tipa izvēli nosaka ierīces konstrukcija.
Digitālo komparatoru funkcijas
Salīdzinātājus izmanto arī ciparu tehnoloģijās, lai gan pirmajā brīdī tas var šķist paradoksāli. Galu galā ir tikai divi sprieguma līmeņi - viens un nulle. To salīdzināšanai nav jēgas. Taču ir iespējams salīdzināt divus bināros skaitļus, kuros var pārvērst arī jebkuras analogās vērtības (tostarp spriegumu).
Pieņemsim, ka ir divi bināri vārdi ar vienādu garumu bitos:
X=X3X2X1X0 un Y=Y3Y2Y1Y.
Tie tiek uzskatīti par vienādiem pēc vērtības, ja visi biti ir vienādi bitos:
1101=1101 => X=Y.
Ja vismaz viens bits atšķiras, skaitļi nav vienādi. Lielākais skaitlis tiek noteikts, salīdzinot bitu pa bitu, sākot ar augstāko bitu:
- 1101>101 - šeit X pirmais bits ir lielāks par Y pirmo bitu, un X>Y;
- 1101>101 - pirmie biti ir vienādi, bet X otrais bits ir lielāks un X>Y;
- 111<1110 - Y ir par trešo bitu vairāk, un X apakšējā bita vērtība nav svarīga, X
Šo salīdzinājumu var realizēt, izmantojot I-NE, OR-NE bāzes elementu loģiskās shēmas, taču vieglāk ir izmantot gatavus produktus. Piemēram, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), iekšzemes K564IP2 un citas mikroshēmu sērijas. Tie ir no 2 līdz 8 ciparu komparatori ar atbilstošu datu ieeju un vadības ieeju skaitu. Digitālo komparatoru izejas vairumā gadījumu ir 3:
- vairāk;
- mazāk nekā;
- vienāds.
Atšķirībā no analogajām ierīcēm bināro komparatoru gadījumā vienlīdzība ieejās nav nevēlama situācija, un tā netiek novērsta.
Šādu ierīci var viegli izveidot programmatiski, izmantojot Bula algebras funkcijas. Daudziem mikrokontrolieriem ir arī iebūvēti analogie komparatori ar atsevišķiem ārējiem kontaktiem, kas iekšējai shēmai dod gatavu rezultātu divu vērtību salīdzināšanai kā 0 vai 1. Tas ietaupa mazo datorsistēmu resursus.
Ja tiek izmantots sprieguma komparators
Komparatoru izmanto visdažādākajos lietojumos. Piemēram, uz tā var uzbūvēt sliekšņa releju. Vajadzīgs sensors, kas jebkuru lielumu pārvērš spriegumā. Šāda vērtība var būt:
- gaismas līmenis;
- trokšņa līmenis;
- šķidruma līmenis traukā vai tvertnē;
- jebkuru citu vērtību.
Potenciometru var izmantot, lai iestatītu komparatora līmeni. Izvades signāls tiek raidīts ar taustiņa palīdzību uz indikatoru vai izpildmehānismu.
Ja histerēzi palielina, komparators var darboties kā Šmita trigeris. Kad ievadei tiek pievadīts lēni mainīgs spriegums, izejas signāls ir binārais signāls ar stāvām malām.
Divus elementus var savienot, veidojot dubultsliekšņa komparatoru vai loga komparatoru.
Šeit sliekšņa spriegums tiek iestatīts katram komparatoram atsevišķi - augšējam komparatoram uz tiešās ieejas un apakšējam komparatoram uz inversās ieejas. Brīvās ieejas tiek apvienotas, un tām tiek pielikts mērāmais spriegums. Izejas ir OR-savienotas. Kad spriegums pārsniedz iestatīto augšējo vai apakšējo robežu, viens no komparatoriem izvada augstu līmeni.
Daudzlīmeņu komparators ir salikts no vairākiem elementiem, ko var izmantot kā lineāru sprieguma indikatoru vai vērtību, kas tiek pārvērsta spriegumā. Četriem līmeņiem shēma būtu šāda:
Šajā shēmā katra elementa ievadei tiek pielikts atšķirīgs atskaites spriegums. Invertorējošās ieejas ir savienotas kopā, un tām tiek pieslēgts mērāmais signāls. Kad ir sasniegts aktivizēšanas līmenis, iedegas attiecīgais LED indikators. Ja izstarojošos elementus izvieto rindā, iegūst gaismas joslu, kuras garums mainās atkarībā no pieliktā sprieguma līmeņa.
To pašu shēmu var izmantot arī kā analogo ciparu pārveidotāju (ADC). Tas pārveido ieejas spriegumu atbilstošā binārajā kodā. Jo vairāk elementu ietverts ADC, jo augstāka izšķirtspēja, jo precīzāka konversija. Praksē rindas kods ir neērts, un to pārveido pazīstamā kodā, izmantojot kodētāju. Kodētāju var izveidot, izmantojot loģiskos elementus, gatavas mikroshēmas vai ROM ar atbilstošu programmaparatūru.
Komparatoru pielietojuma sfēra profesionālajās un amatieru shēmās ir plaša. Kompetenta šo elementu pielietošana ļauj atrisināt plašu uzdevumu klāstu.
Saistītie raksti:
