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必要があることがよくあります。このために、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に戻り、むしろ英語に戻って比較します-比較します。
電圧コンパレータとは
一般的な場合、コンパレータは、比較された値（電圧）を供給するための2つの入力と、比較の結果のため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（直接および逆）があります。直接入力の電圧が逆電圧を超えると、出力は論理ユニットに設定され、その逆の場合はゼロに設定されます。逆入力と直接入力の間に正の差があり、1が設定され、反対の状況（ゼロ）の場合、そのようなコンパレータは反転と呼ばれます。
コンパレータの動作原理
コンパレータを構築すると便利です オペアンプ （OU）。このために、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。
- 無限の（実際には-10000以上から）増幅率。
コンパレータとしてのオペアンプの動作は、次のスイッチング方式で検討できます。
ゲインが10000のオペアンプがあるとします。電源電圧はバイポーラで、+5Vおよびマイナス5Vです。 仕切り 反転入力では、基準レベルは正確に0ボルトに設定され、直接入力では、マイナス5ボルトがポテンショメータスライダーから削除されます。オペアンプはその差を10,000倍に増幅する必要があり、理論的にはマイナス50,000ボルトの電圧が出力に現れるはずです。しかし、オペアンプにはそのような電圧を取り込む場所がなく、可能な限り最大の電源電圧から5ボルトを引いた値を生成します。
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に10000を掛けた値を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。正の入力での入力電圧はゼロ以上に上昇し、+0.0005ボルトの電圧では+5Vになり、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-+ 0.0005）を超えると、出力電圧はマイナス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-1。
興味深いのは、マイナス0.0005ボルトから+0.0005までの入力でのレベル差のセクションです。理論的には、通過すると、負から正の供給電圧にスムーズに上昇します。実際には、この範囲は非常に狭く、干渉、干渉、電源電圧の不安定性などが原因です。入力の電圧がほぼ等しい場合、両方向のコンパレータの無秩序な動作が発生します。オペアンプのゲインが低いほど、この不安定性のウィンドウは広くなります。コンパレータがアクチュエータを制御している場合、これによりアクチュエータが時間内に動作し（リレーをクリックしたり、バルブをバタンと閉めたりするなど）、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、破線で示されている抵抗をオンにすることにより、浅い正のフィードバックが作成されます。これにより、わずかなヒステリシスが生じ、電圧がリファレンスに対して上下に通過するときにスイッチングしきい値がシフトします。たとえば、コンパレータは0.1ボルトでオンに切り替わり、正確にゼロでダウンします（フィードバックの深さに応じて）。これにより、不安定ウィンドウがなくなります。この抵抗器の値は、数百キロオームから数メガオームまで可能です。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ICもあります。たとえば、LM393。このようなマイクロ回路には、高速オペアンプ（または複数）があり、基準電圧を生成する内蔵の分圧器を取り付けることができます。このようなコンパレータと汎用オペアンプで構築されたデバイスのもう1つの違いは、それらの多くがユニポーラ電源を必要とすることです。ほとんどのオペアンプはバイポーラ電圧を必要とします。マイクロ回路のタイプの選択は、デバイスの開発中に行われます。
デジタルコンパレータの特徴
コンパレータはデジタル技術でも使用されていますが、これは一見逆説的に聞こえます。結局のところ、電圧レベルは1つと0の2つだけです。そして、それらを比較することは無意味です。ただし、2つの2進数を比較することはできます。これは、任意のアナログ値（電圧を含む）に変換できます。
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 およびY=Y3Y2Y1Y.
すべてのビットがビット単位で等しい場合、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つのビットが異なる場合、数値は等しくありません。大きい方の数値は、最上位ビットから始まるビット単位の比較によって決定されます。
- 1101>101-ここで、Xの最初のビットはYの最初のビットよりも大きく、X>Yです。
- 1101>101-最初のビットは等しいが、Xの2番目のビットは大きく、X>Yです。
- 111<1110-Yの3番目のビットは大きく、Xの最下位桁の大きい値は重要ではありません（X <Y）。
このような比較の実装は、基本要素AND-NOT、OR-NOTの論理回路に基づいて構築できますが、完成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。これらは、対応する数のデータと制御入力を備えた2〜8ビットのコンパレータです。ほとんどの場合、デジタルコンパレータには次の3つの出力があります。
- もっと;
- 以下;
- 等しい。
バイナリコンパレータを備えたアナログデバイスとは異なり、入力での等式は望ましくない状況ではなく、回避しようとはしていません。
このようなデバイスは、ブール代数関数を使用してプログラムで簡単に構築することもできます。別のオプション-多くのマイクロコントローラーには、個別の外部出力を備えた「オンボード」アナログコンパレータがあり、0または1の形式で2つの値を内部回路と比較した既製の結果を出力します。これにより、小規模なコンピューティングシステムのリソースを節約できます。 。
電圧コンパレータはどこで使用されていますか？
コンパレータの範囲は広いです。たとえば、その上にしきい値リレーを作成できます。これを行うには、任意の値を電圧に変換するセンサーが必要です。この値は次のようになります。
- 照明レベル;
- 騒音レベル;
- 容器またはリザーバー内の液面;
- その他の値。
ポテンショメータを使用して、コンパレータのトリガーレベルを設定できます。キーを介した出力信号は、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ーとして機能します。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 急な前線で。
2つの要素を接続して、2つのしきい値のコンパレータまたはウィンドウコンパレータを形成できます。
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。直接入力の上部のコンパレータ、逆入力の下部のコンパレータです。フリー入力が組み合わされ、測定された電圧が供給されます。出力は「取り付けOR」方式に従って接続されます。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つが出力でハイレベルを生成します。
マルチレベルコンパレータは、線形電圧インジケータ、または電圧に変換される値として使用できるいくつかの要素で構成されています。 4つのレベルの場合、スキームは次のようになります。
この回路では、基準電圧が各要素の入力に印加されます。反転入力は相互に接続され、測定信号を受信します。トリガーレベルに達すると、対応するLEDが点灯します。放射素子を一列に並べると、印加電圧の高さに応じて長さが変化するライトストリップが得られます。
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、ビット深度が大きくなり、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勝手が悪く、エンコーダを使って使い慣れた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のコンパレータの範囲は多様です。これらの要素を適切に使用することで、さまざまな問題を解決できます。
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