Pri načrtovanju elektronskih vezij je pogosto treba primerjati nivo dveh napetosti. Za to se uporablja naprava, kot je primerjalnik. Ime vozlišča sega v latinsko comparare ali bolje rečeno v angleško primerjati - primerjati.
Vsebina
Kaj je primerjalnik napetosti
V splošnem primeru je primerjalnik naprava, ki ima dva vhoda za dobavo primerjanih vrednosti (napetosti) in izhod za rezultat primerjave. Primerjalnik ima dva vhoda za podajanje primerjanih parametrov - direktni in inverzni. Izhod je nastavljen na logično enoto, ko napetost neposrednega vhoda preseže inverzno, in nič - če obratno. Če je s pozitivno razliko med inverznim in neposrednim vhodom nastavljena ena, v nasprotni situaciji pa nič, se takšen primerjalnik imenuje invertiranje.
Načelo delovanja primerjalnika
Primerno je zgraditi primerjalnik operacijski ojačevalnik (OU).Za to se neposredno uporabljajo njegove lastnosti:
- ojačanje razlike signala med neposrednim in invertnim vhodom;
- neskončen (v praksi - od 10000 in več) faktor ojačanja.
Delovanje op-amp kot primerjalnika je mogoče obravnavati z naslednjo preklopno shemo:
Naj bo op-amp z dobičkom 10000, napajalna napetost je bipolarna, + 5 V in minus 5 V. delilnik na invertirajočem vhodu je referenčna raven nastavljena na točno 0 voltov, pri neposrednem vhodu se minus 5 voltov odstrani z drsnika potenciometra. Operacijski ojačevalnik naj bi razliko okrepil za 10.000-krat, teoretično bi se morala na izhodu pojaviti napetost minus 50.000 voltov. Toda opamp nima nikjer prevzeti takšne napetosti in ustvari največjo možno - napajalno napetost minus 5 voltov.
Če začnete zviševati napetost na direktnem vhodu, bo operacijski ojačevalnik poskušal nastaviti napetostno razliko med vhodi, pomnoženo z 10000. Uspelo bo, ko se vhodna napetost približa ničli in postane približno minus 0,0005 V. Z nadaljnjim povečanjem vhodna napetost na pozitivnem vhodu se bo izhod dvignil na nič in več, pri napetosti +0,0005 voltov pa bo postal +5 V in se ne bo več dvignil - ni nikjer. Tako, ko vhodna napetost preide ničelno raven (natančneje, minus 0,0005 voltov - + 0,0005), bo izhodna napetost skočila z minus 5 voltov na +5 voltov. Z drugimi besedami, dokler je napetost na direktnem vhodu nižja kot na invertiranem vhodu, je izhod primerjalnika nastavljen na nič. Če višje - eno.
Zanimiv je odsek nivojske razlike na vhodih od minus 0,0005 voltov do + 0,0005.Teoretično, ko mine, bo prišlo do gladkega dviga iz negativne na pozitivno napajalno napetost. V praksi je ta razpon zelo ozek, zaradi motenj, motenj, nestabilnosti napajalne napetosti itd. s približno enakostjo napetosti na vhodih bo prišlo do kaotičnega delovanja primerjalnika v obe smeri. Nižje kot je ojačanje op-amp, širše je to okno nestabilnosti. Če primerjalnik krmili aktuator, bo to povzročilo, da bo deloval pravočasno (klik na rele, zaloputanje ventila itd.), kar lahko privede do njegove mehanske okvare ali pregrevanja.
Da bi se temu izognili, se ustvari plitka pozitivna povratna informacija z vklopom upora, označenega s črtkano črto. To ustvari rahlo histerezo, ki premika preklopne pragove, ko napetost prehaja navzgor in navzdol glede na referenco. Primerjalnik se bo na primer preklopil navzgor pri 0,1 volta in navzdol pri natanko nič (odvisno od globine povratne informacije). To bo odpravilo okno nestabilnosti. Vrednost tega upora je lahko od nekaj sto kiloohmov do nekaj megaohmov. Nižji kot je upor, večja je razlika med pragovi.
Obstajajo tudi specializirane primerjalne IC. Na primer, LM393. V takih mikrovezjih je hitri operacijski ojačevalnik (ali več), vgrajen je lahko vgrajen delilnik, ki ustvarja referenčno napetost. Druga razlika med takšnimi primerjalniki in napravami, zgrajenimi na operacijskih ojačevalnikih splošnega namena, je, da mnogi od njih zahtevajo unipolarno napajanje. Večina opamp zahteva bipolarno napetost. Izbira vrste mikrovezja se izvede med razvojem naprave.
Značilnosti digitalnih primerjalnikov
Primerjalniki se uporabljajo tudi v digitalni tehnologiji, čeprav se to na prvi pogled sliši paradoksalno. Navsezadnje obstajata samo dve napetostni ravni - ena in nič. In nesmiselno jih je primerjati. Lahko pa primerjate dve binarni številki, ki ju je mogoče pretvoriti v poljubne analogne vrednosti (vključno z napetostjo).
Naj bosta dve binarni besedi enake dolžine v bitih:
X=X3X2X1X0 in Y=Y3Y2Y1Y.
Štejejo se za enake vrednosti, če so vsi bitni enaki:
1101=1101 => X=Y.
Če je vsaj en bit drugačen, potem številke niso enake. Večje število se določi z bitno primerjavo, začenši z najpomembnejšim bitom:
- 1101>101 - tukaj je prvi bit X večji od prvega bita Y in X>Y;
- 1101>101 - prvi bit so enaki, drugi bit X pa je večji in X>Y;
- 111<1110 - Y ima večji tretji bit in večja vrednost najmanj pomembne števke X ni pomembna, X<Y.
Izvedbo takšne primerjave je mogoče zgraditi na logičnih vezjih osnovnih elementov IN-NE, ALI-NE, vendar je lažje uporabiti končne izdelke. Na primer, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), domači K564IP2 in druge serije mikrovezij. So 2-8-bitni primerjalniki z ustreznim številom podatkovnih in krmilnih vhodov. V večini primerov imajo digitalni primerjalniki 3 izhode:
- več;
- manj;
- enaka.
Za razliko od analognih naprav z binarnimi primerjalniki enakost na vhodih ni nezaželena situacija in se ji ne poskušamo izogniti.
Takšno napravo je enostavno zgraditi tudi programsko z uporabo funkcij Boolean algebre.Druga možnost - številni mikrokrmilniki imajo "vgrajene" analogne primerjalnike z ločenimi zunanjimi izhodi, ki v notranje vezje oddajo že pripravljen rezultat primerjave dveh vrednosti v obliki 0 ali 1. To prihrani vir majhnih računalniških sistemov .
Kje se uporablja primerjalnik napetosti?
Obseg primerjalnika je širok. Na njem lahko na primer zgradite mejni rele. Če želite to narediti, potrebujete senzor, ki pretvori katero koli vrednost v napetost. Ta vrednost je lahko:
- stopnja osvetlitve;
- stopnja hrupa;
- nivo tekočine v posodi ali rezervoarju;
- katere koli druge vrednosti.
Potenciometer lahko uporabite za nastavitev nivoja sprožilca primerjalnika. Izhodni signal skozi ključ se poda indikatorju ali aktuatorju.
Če povečate histerezo, lahko primerjalnik deluje kot Schmittov sprožilec. Ko se na vhod uporabi počasi spreminjajoča se napetost, bo izhod diskretni signal s strmimi frontami.
Oba elementa je mogoče povezati tako, da tvorita dvopragovni primerjalnik ali okenski primerjalnik.
Tukaj je mejna napetost nastavljena posebej za vsak primerjalnik - za zgornjo na direktnem vhodu, za spodnjo na inverznem. Prosti vhodi so združeni, napajani so z izmerjeno napetostjo. Izhodi so povezani po shemi "montaža ALI". Ko napetost preseže nastavljeno zgornjo ali spodnjo mejo, eden od primerjalnikov proizvede visoko raven na izhodu.
Večstopenjski primerjalnik je sestavljen iz več elementov, ki jih lahko uporabimo kot linearni indikator napetosti ali vrednost, ki se pretvori v napetost. Za štiri stopnje bo shema naslednja:
V tem vezju se referenčna napetost nanese na vhod vsakega elementa. Invertni vhodi so povezani skupaj, sprejemajo izmerjeni signal. Ko je dosežena raven sprožilca, zasveti ustrezna LED. Če so sevalni elementi razporejeni v linijo, dobimo svetlobni trak, katerega dolžina se spreminja glede na raven uporabljene napetosti.
Enako vezje se lahko uporablja kot analogno-digitalni pretvornik (ADC). Pretvori vhodno napetost v ustrezno binarno kodo. Več elementov kot je vključenih v ADC, večja je bitna globina, natančnejša je pretvorba. V praksi je vrstična koda neprijetna za uporabo in se s kodirnikom pretvori v znano kodo. Kodirnik je lahko zgrajen na logičnih elementih, uporabi že pripravljeno mikrovezje ali uporabi ROM z ustrezno strojno programsko opremo.
Obseg primerjalnikov v profesionalnih in amaterskih vezjih je raznolik. Pravilna uporaba teh elementov omogoča reševanje širokega spektra težav.
Podobni članki:
