Lors de la conception de circuits électroniques, il est souvent nécessaire de comparer le niveau de deux tensions. Pour cela, un dispositif tel qu'un comparateur est utilisé. Le nom du nœud remonte au latin comparare, ou plutôt à l'anglais to compare - comparer.
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Qu'est-ce qu'un comparateur de tension
Dans le cas général, un comparateur est un appareil qui possède deux entrées pour fournir les valeurs comparées (tensions) et une sortie pour le résultat de la comparaison. Le comparateur a deux entrées pour fournir les paramètres comparés - direct et inverse. La sortie est définie sur une unité logique lorsque la tension de l'entrée directe dépasse l'inverse, et zéro - si vice versa. Si, avec une différence positive entre l'entrée inverse et directe, on est défini, et dans la situation opposée - zéro, alors un tel comparateur est appelé inverseur.
Le principe de fonctionnement du comparateur
Il est commode de construire un comparateur sur amplificateur opérationnel (OU).Pour cela, ses propriétés sont directement utilisées :
- amplification de la différence de signal entre l'entrée directe et inverseuse ;
- facteur d'amplification infini (en pratique - à partir de 10000 et plus).
Le fonctionnement de l'ampli-op en tant que comparateur peut être considéré avec le schéma de commutation suivant :
Soit un ampli-op avec un gain de 10000, la tension d'alimentation est bipolaire, + 5 V et moins 5 V. diviseur à l'entrée inverseuse, le niveau de référence est réglé sur exactement 0 volt, à l'entrée directe, moins 5 volts sont retirés du curseur du potentiomètre. L'amplificateur opérationnel devrait amplifier la différence de 10 000 fois, théoriquement, une tension de moins 50 000 volts devrait apparaître à la sortie. Mais l'ampli-op n'a nulle part où prendre une telle tension, et il crée le maximum possible - la tension d'alimentation, moins 5 volts.
Si vous commencez à augmenter la tension à l'entrée directe, l'ampli op essaiera de régler la différence de tension entre les entrées, multipliée par 10000. Il réussira lorsque la tension d'entrée approchera de zéro et deviendra environ moins 0,0005 V. Avec une nouvelle augmentation de la tension d'entrée à l'entrée positive, la sortie montera à zéro et au-dessus, et à une tension de +0,0005 volts, elle deviendra +5 V et n'augmentera plus - il n'y a nulle part. Ainsi, lorsque la tension d'entrée passe le niveau zéro (plus précisément, moins 0,0005 volts - + 0,0005), la tension de sortie passera de moins 5 volts à +5 volts. Autrement dit, tant que la tension à l'entrée directe est inférieure à celle à l'entrée inverseuse, la sortie du comparateur est mise à zéro. Si supérieur - un.
La section de la différence de niveau aux entrées de moins 0,0005 volt à + 0,0005 est intéressante.En théorie, quand il passe, il y aura une montée en douceur de la tension d'alimentation négative à la tension d'alimentation positive. En pratique, cette plage est très étroite et, en raison des interférences, des interférences, de l'instabilité de la tension d'alimentation, etc. avec une égalité approximative des tensions aux entrées, un fonctionnement chaotique du comparateur dans les deux sens se produira. Plus le gain de l'ampli-op est faible, plus cette fenêtre d'instabilité est large. Si le comparateur contrôle l'actionneur, cela le fera fonctionner à temps (clic du relais, claquement de la vanne, etc.), ce qui peut entraîner sa défaillance mécanique ou sa surchauffe.
Pour éviter cela, une rétroaction positive peu profonde est créée en allumant la résistance indiquée par la ligne pointillée. Cela crée une légère hystérésis, décalant les seuils de commutation lorsque la tension monte et descend par rapport à la référence. Par exemple, le comparateur montera à 0,1 volt et descendra exactement à zéro (selon la profondeur de la rétroaction). Cela éliminera la fenêtre d'instabilité. La valeur de cette résistance peut être de plusieurs centaines de kilo-ohms à plusieurs méga-ohms. Plus la résistance est faible, plus la différence entre les seuils est grande.
Il existe également des circuits intégrés de comparaison spécialisés. Par exemple, LM393. Dans de tels microcircuits, il existe un amplificateur opérationnel à grande vitesse (ou plusieurs), un diviseur intégré peut être installé qui crée une tension de référence. Une autre différence entre ces comparateurs et les appareils construits sur des amplificateurs opérationnels à usage général est que beaucoup d'entre eux nécessitent une alimentation unipolaire. La plupart des amplificateurs opérationnels nécessitent une tension bipolaire. Le choix du type de microcircuit se fait lors de la mise au point du dispositif.
Caractéristiques des comparateurs numériques
Les comparateurs sont également utilisés dans la technologie numérique, bien que cela semble, à première vue, paradoxal. Après tout, il n'y a que deux niveaux de tension - un et zéro. Et il est inutile de les comparer. Mais vous pouvez comparer deux nombres binaires, qui peuvent être convertis en n'importe quelle valeur analogique (y compris la tension).
Soit deux mots binaires de même longueur en bits :
X=X3X2X1X0 et Y=Y3Oui2Oui1Oui.
Ils sont considérés comme égaux en valeur si tous les bits sont égaux au niveau du bit :
1101=1101 => X=Y.
Si au moins un bit est différent, alors les nombres ne sont pas égaux. Le plus grand nombre est déterminé par une comparaison au niveau du bit, en commençant par le bit le plus significatif :
- 1101>101 - ici le premier bit de X est supérieur au premier bit de Y, et X>Y ;
- 1101>101 - les premiers bits sont égaux, mais le deuxième bit de X est supérieur et X>Y ;
- 111<1110 - Y a un troisième bit plus grand, et la plus grande valeur du chiffre le moins significatif de X n'a pas d'importance, X<Y.
La mise en oeuvre d'une telle comparaison peut s'appuyer sur les circuits logiques des éléments de base ET-NON, OU-NON, mais il est plus simple d'utiliser des produits finis. Par exemple, 4063 (CMOS), 7485 (TTL), K564IP2 domestique et d'autres séries de microcircuits. Ce sont des comparateurs 2-8 bits avec un nombre correspondant d'entrées de données et de commande. Dans la plupart des cas, les comparateurs numériques ont 3 sorties :
- Suite;
- moins;
- équivaut à.
Contrairement aux dispositifs analogiques, avec des comparateurs binaires, l'égalité aux entrées n'est pas une situation indésirable et n'est pas tentée d'être évitée.
Un tel dispositif est également facile à construire par programmation à l'aide de fonctions d'algèbre booléenne.Une autre option - de nombreux microcontrôleurs ont des comparateurs analogiques "intégrés" avec des sorties externes séparées, qui produisent un résultat prêt à l'emploi en comparant deux valeurs sous la forme de 0 ou 1 au circuit interne. Cela économise les ressources des petits systèmes informatiques .
Où est utilisé le comparateur de tension ?
Le périmètre du comparateur est large. Sur celui-ci, par exemple, vous pouvez construire un relais de seuil. Pour ce faire, vous avez besoin d'un capteur qui convertit n'importe quelle valeur en tension. Cette valeur peut être :
- niveau d'éclairage ;
- niveau de bruit;
- niveau de liquide dans un récipient ou un réservoir ;
- toute autre valeur.
Le potentiomètre peut être utilisé pour régler le niveau de déclenchement du comparateur. Le signal de sortie via la clé est transmis à l'indicateur ou à l'actionneur.
Si vous augmentez l'hystérésis, le comparateur peut fonctionner comme un déclencheur de Schmitt. Lorsqu'une tension changeant lentement est appliquée à l'entrée, la sortie sera signal discret avec des fronts raides.
Les deux éléments peuvent être reliés pour former un comparateur à deux seuils, ou un comparateur à fenêtre.
Ici, la tension de seuil est définie séparément pour chaque comparateur - pour le supérieur à l'entrée directe, pour le inférieur à l'inverse. Les entrées libres sont combinées, elles sont alimentées par la tension mesurée. Les sorties sont connectées selon le schéma "montage OU". Lorsque la tension dépasse la limite supérieure ou inférieure définie, l'un des comparateurs produit un niveau haut à la sortie.
Un comparateur multiniveau est assemblé à partir de plusieurs éléments, qui peuvent être utilisés comme un indicateur de tension linéaire, ou une valeur qui est convertie en tension. Pour quatre niveaux, le schéma sera le suivant :
Dans ce circuit, une tension de référence est appliquée à l'entrée de chaque élément. Les entrées inverseuses sont reliées entre elles, elles reçoivent le signal mesuré. Lorsque le niveau de déclenchement est atteint, la LED correspondante s'allume. Si les éléments rayonnants sont disposés en ligne, on obtiendra une bande lumineuse dont la longueur varie en fonction du niveau de la tension appliquée.
Le même circuit peut être utilisé comme convertisseur analogique-numérique (ADC). Il convertit la tension d'entrée dans le code binaire correspondant. Plus il y a d'éléments inclus dans l'ADC, plus la profondeur de bits est grande, plus la conversion est précise. En pratique, le code de ligne est peu pratique à utiliser et il est converti en un code familier à l'aide d'un encodeur. L'encodeur peut être construit sur des éléments logiques, utiliser un microcircuit prêt à l'emploi ou utiliser une ROM avec le micrologiciel approprié.
La portée des comparateurs dans les circuits professionnels et amateurs est variée. L'utilisation appropriée de ces éléments permet de résoudre un large éventail de problèmes.
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