11.4. Компараторы
Одной из задач электронных управляющих систем является сравнение текущего значения контролируемой величины с некоторыми её допустимыми значениями (порогами). Обычно это верхние и нижние значения (уставки), в пределах которых может изменяться контролируемая величина. Значения уставок определяются конкретным технологическим процессом. Интервал между уставками обычно называется «зона допуска» или «трубка допуска». При выходе процесса из зоны допуска средства управления выдают соответствующие команды на исполнительные механизмы, возвращая процесс в зону допуска.
Сравнение текущих значений измеряемых величин с порогами часто выполняется с помощью электронных устройств, называемых компараторами. Компаратор – это функциональный узел, имеющий два значения выходного сигнала – 0 и 1. При необходимости обработки множества сигналов от однотипных датчиков одним компаратором, используют мультиплексоры. В этом случае обработка сигналов от различных каналов на компараторе идёт последовательно во времени.
Различают компараторы аналоговых и дискретных сигналов. Ниже рассмотрены основные характеристики и принципы построения простейших компараторов обоих типов.
Основные характеристики компараторов
Аналоговые компараторы характеризуются:
порогом чувствительности;
погрешностью сравнения;
дрейфом нуля;
быстродействием;
перегрузочной способностью;
входным сопротивлением;
нагрузочной способностью;
напряжением питания.
Цифровые компараторы характеризуются:
быстродействием (числом сравнений в секунду);
числом разрядов;
входным сопротивлением;
нагрузочной способностью;
напряжением питания.
Компараторы аналоговых сигналов
Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. В данном случае рассматриваются только наиболее распространённые в технике сигналы – сигналы постоянного тока. Если обозначить входной анализируемый сигнал Uвх, а опорный сигнал (порог сравнения) Uоп, то выходной сигнал компаратора Uвых (представляющий собой логический сигнал, содержащий 1 бит информации) будет определяться по правилу:
Выходной сигнал компаратора обычно подается на входы логических устройств управления и поэтому должен быть согласован с ними по уровню и мощности. Таким образом, компаратор – это элемент перехода от аналоговых сигналов к цифровым. По сути дела компаратор является одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.
Компараторы аналоговых сигналов проектируют либо на базе операционных усилителей (ОУ), либо на базе специальных интегральных схем компараторов. Упрощённое условное обозначение ОУ приведено на рис.11.8.
Рис. 11.8. Условное обозначение операционного усилителя
У операционного усилителя два входа: неинвертирующий, обозначенный знаком (+), и инвертирующий, обозначенный знаком (–). Если на неинвертирующий вход подать положительный возрастающий потенциал, то выходной потенциал также будет возрастать. Но если положительный возрастающий потенциал подать на инвертирующий вход, потенциал на выходе будет уменьшаться. Если одинаковый потенциал подать на оба входа, то потенциал на выходе не изменится.
Следовательно, операционный усилитель реагирует на разность потенциалов между входами, т. е. он является дифференциальным усилителем.
В компараторах используются ОУ без обратных связей. Они имеют очень высокий собственный коэффициент усиления (106 – 107). Если напряжение на входе 1 хотя бы на несколько милливольт больше напряжения на входе 2 (U1 > U2), то на выходе ОУ напряжение принимает максимально возможное значение, несколько меньшее напряжения питания. Усилитель входит в насыщение.
Если U1 < U2, то потенциал на выходе тоже имеет максимальное значение, но другой полярности (при двуполярном питании ОУ). Следовательно, компаратор имеет релейную характеристику.
Разновидность компаратора – «нуль–орган» (НО), или детектор пересечения нуля. Его упрощённая структурная схема и характеристика приведены на рис.11.9. Следует помнить, что реальные схемы компараторов требуют подключения достаточно большёго количества вспомогательных элементов.
Выходное напряжение этого компаратора зависит от полярности входного сигнала, отличного от 0 (выполняется сравнение с 0). Диоды на входе защищают операционный усилитель от пробоя.
Рис. 11.10. Односторонний нуль–орган
Односторонний нуль-орган (рис. 11.10) выдает 0 или 1 в зависимости от величины входного сигнала одной полярности.