Pri načrtovanju elektronskih vezij je pogosto treba primerjati nivo dveh napetosti. V ta namen se uporablja taka naprava kot primerjalnik. Ime vozlišča sega v latinščino comparare oziroma v angleščino primerjati.
Vsebina
Kaj je napetostni primerjalnik
Na splošno je primerjalnik naprava z dvema vhodoma za primerjane vrednosti (napetosti) in izhodom za rezultat primerjave. Primerjalnik ima dva vhoda za podajanje primerjanih parametrov - direktnega in inverznega. Izhod je nastavljen na logično enoto, če napetost direktnega vhoda presega napetost inverznega vhoda in na nič, če obratno. Če je pozitivna razlika med inverznim vhodom in neposrednim vhodom enaka ena, v nasprotni situaciji pa nič, se primerjalnik imenuje invertni primerjalnik.
Načelo delovanja primerjalnika
Priročno je zgraditi primerjalnik z uporabo operacijski ojačevalnik (OP-AMP). V ta namen se neposredno uporabljajo njegove lastnosti:
- ojačanje signalne razlike med direktnim in invertnim vhodom;
- neskončno (v praksi - od 10000 in več) dobiček.
Delo DT kot primerjalnika je mogoče obravnavati z naslednjim vezjem:
Recimo, da obstaja DT z ojačenjem 10000, napajalna napetost je bipolarna, + 5 V in minus 5 V. Razdelilnik je nastavljen na referenčno raven natanko 0 voltov na obračalnem vhodu, minus 5 voltov pa se vzame iz drsnika potenciometra na neposrednem vhodu. Operacijski ojačevalnik bi moral razliko povečati za 10000-krat, teoretično bi morala biti na izhodu napetost minus 50000 voltov. Toda operacijski ojačevalnik ni nikjer dobil takšne napetosti, zato ustvari največjo možno - napajalno napetost, minus 5 voltov.
Če začnete dvigovati napetost na neposrednem vhodu, bo operacijski ojačevalnik poskušal nastaviti napetostno razliko med vhodi, pomnoženo z 10000. Uspelo mu bo, ko se vhodna napetost približa ničli in postane približno minus 0,0005 V. Z nadaljnjim povečanjem vhodne napetosti na pozitivnem vhodu se bo izhodna napetost dvignila na nič ali več, pri +0,0005 voltov pa bo postala enaka +5 V in se ne bo več dvignila - ni kam. Ko torej vhodna napetost preseže ničelno raven (natančneje, minus 0,0005 voltov do +0,0005 voltov), bo prišlo do skoka v izhodni napetosti od minus 5 voltov do +5 voltov. Z drugimi besedami, dokler je napetost na direktnem vhodu nižja kot na invertiranem vhodu, je na izhodu primerjalnika nastavljena ničla. Če je višja, je ena.
Zanimiv je odsek nivojske razlike na vhodih od minus 0,0005 voltov do + 0,0005 voltov. Teoretično bo imel gladek dvig od negativne do pozitivne napajalne napetosti. V praksi je to območje zelo ozko in zaradi šuma, motenj, nestabilnosti napajalne napetosti itd., ko so napetosti na vhodih približno enake, pride do kaotičnega proženja primerjalnika v obe smeri. Nižji ko je ojačanje operacijskega ojačevalnika, širše je to okno nestabilnosti.Če primerjalnik krmili aktuator, bo povzročil, da bo deloval nespremenjeno (škripanje releja, loputanje ventila itd.), kar lahko povzroči njegovo mehansko okvaro ali pregrevanje.
Da bi se temu izognili, se z vklopom upora, označenega s črtkano črto, ustvari plitka pozitivna povratna informacija. To ustvari majhno količino histereze s premikanjem preklopnih pragov, ko napetost narašča in pada glede na referenčno vrednost. Na primer, navzgor se bo primerjalnik preklopil pri 0,1 volta in navzdol pri točno nič (odvisno od globine povratne informacije). To bi odpravilo okno nestabilnosti. Nazivna moč tega upora je lahko od nekaj sto kilohmov do nekaj megaohmov. Manjši kot je upor, večja je razlika med pragovi.
Na voljo so tudi specializirani primerjalni čipi. Na primer LM393. Ti čipi imajo hiter operacijski ojačevalnik (ali več) in imajo lahko vgrajen delilnik, ki ustvarja referenčno napetost. Druga razlika med temi primerjalniki in napravami, zgrajenimi na operacijskih ojačevalnikih, je ta, da mnogi od njih potrebujejo enostransko napajanje. Večina motnostnikov potrebuje bipolarno napetost. Izbira vrste čipa je odvisna od zasnove naprave.
Lastnosti digitalnih primerjalnikov
Primerjalniki se uporabljajo tudi v digitalni tehniki, čeprav se na prvi pogled sliši paradoksalno. Navsezadnje obstajata samo dve ravni napetosti - ena in nič. Nima smisla jih primerjati. Lahko pa primerjate dve binarni števili, v katera lahko pretvorite tudi poljubne analogne vrednosti (tudi napetost).
Recimo, da obstajata dve dvojiški besedi enake dolžine v bitih:
X=X3X2X1X0 in Y=Y3Y2Y1Y.
Štejejo se za enake vrednosti, če so vsi biti bitno enaki:
1101=1101 => X=Y.
Če je vsaj en bit drugačen, sta števili neenaki. Večje število se določi s primerjavo po bitih, začenši z najvišjim bitom:
- 1101>101 - tukaj je prvi bit X večji od prvega bita Y in X>Y;
- 1101>101 - prvi biti so enaki, vendar je drugi bit X večji in X>Y;
- 111<1110 - Y ima večji tretji bit in večja vrednost v spodnjem bitu X ni pomembna, X<>
Izvedba takšne primerjave je lahko zgrajena na logičnih vezjih osnovnega elementa I-NE, ALI-NE, vendar je lažje uporabiti izdelke, ki so že na voljo. Na primer, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domače K564IP2 in druge serije mikrovezij. So 2-8 bitni primerjalniki z ustreznim številom podatkovnih vhodov in kontrolnih vhodov. Izhodi digitalnih primerjalnikov so v večini primerov 3:
- več;
- manj kot;
- enaka.
Za razliko od analognih naprav enakost na vhodih v binarnih komparatorjih ni nezaželena situacija in se ji ne poskušajo izogniti.
Takšno napravo je mogoče enostavno sestaviti z uporabo funkcij logične algebre. Druga možnost je, da imajo številni mikrokrmilniki vgrajene analogne primerjalnike z ločenimi zunanjimi zatiči, ki dajejo notranjemu vezju že pripravljen rezultat primerjave dveh vrednosti kot 0 ali 1. To prihrani vire majhnih računalniških sistemov.
Kjer se uporablja komparator napetosti
Primerjalnik se uporablja v številnih aplikacijah. Na primer, lahko se uporablja za izdelavo pragovnega releja. Za to je potreben senzor, ki poljubno vrednost pretvori v napetost. Takšna vrednost je lahko:
- raven osvetlitve;
- stopnja hrupa;
- raven tekočine v posodi ali rezervoarju;
- morebitne druge vrednosti.
S potenciometrom lahko nastavite stopnjo odziva primerjalnika. Izhodni signal se preko ključa poda na indikator ali aktuator.
Če se histereza poveča, lahko primerjalnik deluje kot Schmittov sprožilec. Ko na vhod deluje počasi spreminjajoča se napetost, je izhod diskretni signal s strmimi robovi.
Oba elementa je mogoče povezati v primerjalnik z dvojnim pragom ali okenski primerjalnik.
Pri tem je mejna napetost nastavljena za vsak primerjalnik posebej - za zgornjega na direktnem vhodu, za spodnjega na inverznem vhodu. Prosti vhodi se združijo in nanje se priključi izmerjena napetost. Izhodi so povezani po shemi "montaža ALI". Ko napetost preseže nastavljeno zgornjo ali spodnjo mejo, eden od komparatorjev na izhodu da visok nivo.
Večnivojski primerjalnik je sestavljen iz več elementov, ki se lahko uporabljajo kot linearni indikator napetosti ali vrednost, ki se pretvori v napetost. Za štiri stopnje bo vezje takšno:
V tem vezju ima vsak element na svojem vhodu drugačno referenčno napetost. Invertirajoči vhodi so povezani skupaj in signal, ki ga je treba izmeriti, prihaja do njih. Ko je dosežena stopnja proženja, zasveti ustrezna LED. Če so oddajni elementi razporejeni v liniji, dobimo svetlobno palico, katere dolžina se spreminja glede na nivo uporabljene napetosti.
Isto vezje se lahko uporablja kot analogno-digitalni pretvornik (ADC). Vhodno napetost pretvori v ustrezno binarno kodo. Več elementov kot je vključenih v ADC, večja kot je zmogljivost številk, natančnejša je pretvorba. V praksi je linijska koda neprijetna za uporabo in se pretvori v običajno kodo s pomočjo kodirnika. Kodirnik je lahko zgrajen na logičnih elementih, uporabi že pripravljeno mikrovezje ali uporabi ROM z ustrezno vdelano programsko opremo.
Področje uporabe primerjalnikov v profesionalnem in amaterskem vezju je široko. Kompetentna uporaba teh elementov omogoča reševanje širokega spektra nalog.
Povezani članki:
