W dzisiejszym świecie elektroniki, mimo dominacji układów cyfrowych, nie da się uciec od sygnałów analogowych, które otaczają nas w naturze i pomiarach. Często istnieje potrzeba sprzęgnięcia układów analogowych i cyfrowych, co zazwyczaj odbywa się za pomocą przetworników analogowo-cyfrowych (ADC). Jednak w wielu przypadkach, szczególnie gdy sygnały analogowe mają charakter pomiarowy, wystarczy uzyskanie informacji dwustanowej - czy napięcie jest wyższe, czy niższe od zadanego progu. Do realizacji tego zadania służą komparatory analogowe, jedne z najprostszych, a zarazem niezwykle przydatnych układów scalonych.
Czym jest Komparator Napięcia?
Komparator napięcia to mały układ scalony, którego głównym zadaniem jest porównanie ze sobą dwóch napięć wejściowych. Jest on wyposażony w dwa wejścia: odwracające (-) i nieodwracające (+), oraz w jedno wyjście. Do prawidłowego działania wymaga również zasilania. Komparatory napięcia często budowane są w oparciu o wzmacniacze operacyjne, choć zasadniczo pracują bez sprzężenia zwrotnego, w konfiguracji otwartej pętli.
Zasada Działania
Działanie komparatora jest proste: na wyjściu układu pojawia się stan wysoki, jeżeli napięcie na wejściu nieodwracającym (+) ma wyższą wartość niż napięcie na wejściu odwracającym (-). W przeciwnym wypadku na wyjściu pojawia się stan niski. Stan wysoki można przyjąć jako napięcie zbliżone do napięcia zasilania układu (np. 5 V), a stan niski - jako napięcie bliskie masie (0 V).
Głównym celem komparatora jest zatem porównanie sygnałów i generowanie binarnego sygnału wyjściowego (cyfrowego), który określa, który z sygnałów wejściowych jest większy. Jeśli V+ jest większe niż V-, to V0 = 1 (stan wysoki), a jeśli V+ jest mniejsze niż V-, to V0 = 0 (stan niski). Ważne jest, że komparator informuje jedynie o relacji między sygnałami, a nie o tym, jak duża jest różnica między nimi. Stan wyjścia będzie taki sam dla różnicy 20 mV, jak i dla 2 V, o ile różnice te są "na korzyść" tego samego wejścia.
Często do wejścia nieodwracającego podłącza się sygnał mierzony, a do wejścia odwracającego - stałe napięcie odniesienia (np. napięcie 0 V lub połowę napięcia zasilania, uzyskane z dzielnika). Stan wysoki na wyjściu komparatora będzie wtedy wskazywał, że napięcie na wejściu nieodwracającym jest wyższe od napięcia odniesienia.
Histereza w Komparatorach Napięcia
W przypadku, gdy sygnały na obu wejściach komparatora są porównywalne i osiągają próg zadziałania, istnieje możliwość uzyskania niejednoznacznego, losowego stanu na wyjściu. Niejednoznaczność ta jest spowodowana zjawiskami wynikającymi ze zmian temperatury, szumami lub niewielkimi wahaniami sygnału wejściowego (np. z czujnika). W bliskiej okolicy progu przełączania, komparator może generować przypadkowe przebiegi (impulsy) zanim ustali się w stabilnym stanie.
Aby zapobiec temu chaotycznemu zachowaniu, wygodnie jest zastosować komparator charakteryzujący się histerezą. Jest to zjawisko polegające na niejednakowym zachowaniu się układu w zależności od tego, czy różnica napięć rośnie, czy maleje. Oznacza to, że próg przełączania jest nieco inny, gdy napięcie na wejściu "sygnałowym" wzrasta powyżej napięcia odniesienia, a inny, gdy spada poniżej jego wartości.
Wprowadzenie Histerezy poprzez Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Aby wprowadzić histerezę do układu pracy komparatora napięcia, konieczne jest zastosowanie dwóch rezystorów. Pierwszy rezystor (R1) włącza się pomiędzy wyjście komparatora a jego wejście nieodwracające. Drugi rezystor (R2) - pomiędzy źródło sygnału (napięcia) a to samo wejście nieodwracające.
Taki dodatkowy obwód wprowadza tzw. dodatnie sprzężenie zwrotne. Oznacza to, że każda zmiana napięcia na wyjściu "powraca" na wejście, dodatkowo zwiększając różnicę napięć pomiędzy wejściami. To umyślne zastosowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego pozwala na uzyskanie pewnych, przewidywalnych zmian i skutecznie redukuje efekty niepożądanych drgań napięcia wyjściowego.
Wartości rezystorów dobiera się tak, aby rezystor R1 miał wartość znacznie większą (np. 100 razy) niż opornik R2. Szerokość pętli histerezy w przybliżeniu jest równa iloczynowi napięcia zasilania komparatora oraz stosunku wartości rezystancji R2/R1. Przykładowo, dla komparatora zasilanego 5 V, z R1=100 kΩ i R2=1 kΩ, szerokość pętli wyniesie około 50 mV. Taka wartość jest zazwyczaj wystarczająca, ale dla większej precyzji lub w warunkach silnych zakłóceń można zwiększyć stosunek R2/R1.
Rodzaje Wyjść Komparatorów
Komparatory analogowe mogą posiadać różne konfiguracje wyjść, z których najczęściej spotykane to otwarty kolektor i push-pull.
Wyjście typu Otwarty Kolektor (Open Collector)
Starsze typy komparatorów często miały wyjście typu otwarty kolektor. Oznacza to, że na wyjściu znajduje się tranzystor (bipolarny lub MOSFET), którego kolektor (lub dren) jest bezpośrednio podłączony do nóżki wyjściowej, natomiast emiter (lub źródło) do masy. W tej konfiguracji, aby otrzymać normalne stany logiczne (0 V jako stan niski, a np. 5 V jako stan wysoki), wyjście należy "podciągnąć" rezystorem do dodatniej szyny zasilania. Bez rezystora podciągającego, wyjście może być zwierane tylko do masy, nie generując właściwego napięcia dla stanu wysokiego. Konfiguracja otwartego kolektora jest przydatna do wysterowania niewielkim prądem, np. diodą LED, o ile tranzystor wyjściowy jest w stanie obsłużyć taki prąd.
Wyjście typu Push-Pull
Wyjście typu push-pull jest standardem dla większości współczesnych układów cyfrowych. Składa się z dwóch tranzystorów połączonych w taki sposób, że prąd może zarówno wypływać z wyjścia, jak i do niego wpływać. Dzięki temu wyjście typu push-pull domyślnie generuje stany logiczne (napięcia) odpowiadające aktualnemu stanowi komparatora i może być podłączone bezpośrednio do wejścia mikrokontrolera lub innego układu cyfrowego, bez konieczności stosowania dodatkowego rezystora "podciągającego".
Zakresy Napięć Wejściowych i Wyjściowych
Przy pracy z komparatorami należy pamiętać o ich zakresach napięć wejściowych i wyjściowych. Większość komparatorów dostępnych na rynku nie pozwala na badanie napięć bardzo zbliżonych do masy (0 V) oraz do napięcia zasilania. Zakres ten jest zazwyczaj nieco mniejszy. Przykładowo, dla popularnego komparatora LM393, zasilanego napięciem 5 V, zakres napięć wejściowych wynosi od 0 V do napięcia zasilania pomniejszonego o 1,5 V. Oznacza to, że układ zadziała poprawnie dla sygnałów wejściowych mieszczących się w zakresie od 0 V do 3,5 V. Przekroczenie tego zakresu może spowodować nieprzewidywalne działanie komparatora.
Zakres napięć wyjściowych jest natomiast bardzo zbliżony do napięć zasilania i w przybliżeniu można przyjąć, że rozciąga się od 0 V do napięcia zasilającego. Zawsze należy konsultować notę katalogową konkretnego układu, aby upewnić się, że podane napięcia wejściowe mieszczą się w dopuszczalnych normach.
Komparatory Prądu
Oprócz komparatorów napięcia istnieją również komparatory prądu, które porównują dwa sygnały prądowe. Układ taki wykorzystuje tzw. zwierciadła prądowe (nazywane również układami powtarzania prądu lub wtórnikami prądowymi) do osiągnięcia równowagi prądowej. Na wejściu komparatora prądu podawane są dwa sygnały prądowe (i1 i i2), które są porównywane. Wynik porównania wpływa na napięcie w określonym węźle układu. Jeśli i1 jest większe od i2, napięcie w węźle rośnie, a jeśli i1 jest mniejsze, napięcie maleje.
Zwierciadło prądowe zmienia kierunek prądu, nie zmieniając przy tym jego wartości. Prąd wyjściowy jest nastawiany przez wymuszenie odpowiedniego prądu kolektora (prądu wejściowego). Takie układy są bardzo popularne w układach scalonych, gdzie wymagana jest prawidłowa praca w szerokim zakresie zmian wartości napięć zasilających. Symulacja komparatorów prądu w środowiskach takich jak PSpice wymaga poprawnego ustawienia źródeł prądowych, na przykład sinusoidalnie zmienne źródło prądu w PSpice nazywa się ISIN.
Zastosowania Komparatorów Analogowych
Komparatory znajdują szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie płynnie zmieniający się sygnał analogowy musi zostać przetworzony na sygnał binarny, zero-jedynkowy (stan niski lub wysoki).
Czujniki i Robotyka
Doskonałym przykładem są czujniki odbiciowe (transoptory odbiciowe), powszechnie stosowane w robotach mobilnych, takich jak minisumo czy line follower. W line followerach komparatory umożliwiają precyzyjne wykrywanie linii, po której porusza się robot. W robotach minisumo służą do wykrywania krawędzi ringu (dojo). Zastosowanie potencjometru do płynnego ustawienia napięcia odniesienia w komparatorze zapewnia mikrokontrolerowi dokładną informację o przekroczeniu linii. Jest to szczególnie ważne w zmiennych warunkach oświetleniowych, gdzie brak histerezy mógłby prowadzić do fałszywych odczytów z czujników.
Termostaty i Regulatory
Innym praktycznym zastosowaniem jest prosty termostat. Do jednego z wejść komparatora (np. nieodwracającego) podłącza się potencjometr do ustawienia zadanej temperatury, a do drugiego (odwracającego) - czujnik temperatury. Wyjście komparatora może sterować przekaźnikiem, który uruchamia grzałkę, gdy temperatura spadnie poniżej progu, i wyłącza ją, gdy wzrośnie. W ten sposób można zbudować prosty regulator dla różnych wielkości fizycznych, pod warunkiem, że są one mierzalne za pomocą czujnika generującego napięcie i że dostępny jest element wykonawczy zdolny do regulacji tej wartości.
Wewnętrzne Komparatory w Mikrokontrolerach (np. XMEGA)
Nowoczesne mikrokontrolery, takie jak te z rodziny XMEGA, często posiadają wbudowane komparatory analogowe, co zwiększa ich elastyczność i możliwości. W przeciwieństwie do starszych układów ATtiny czy ATmega, gdzie wejścia komparatora były sztywno połączone z konkretnymi pinami, XMEGA oferuje znacznie więcej opcji konfiguracji. Każdy port analogowy w XMEGA może zawierać dwa komparatory. Na przykład, procesor ATxmega128A3U posiada dwa takie porty, co daje dostęp do czterech komparatorów analogowych (oznaczonych jako ACA.AC0, ACA.AC1 itd.).
Mikrokontrolery XMEGA umożliwiają wewnętrzne połączenie przetwornika C/A, źródła referencyjnego (bandgap) lub dzielnika napięcia zasilającego z wejściami komparatora, bez potrzeby stosowania zewnętrznych elementów elektronicznych. Wyjście komparatora można również połączyć z dedykowanym pinem mikrokontrolera. W praktyce często porównuje się badany sygnał ze stałym napięciem referencyjnym, co można łatwo zrealizować wewnętrznie.
W obrębie jednego portu analogowego dwa komparatory mogą współpracować, tworząc komparator okienkowy. Do takiego układu doprowadza się jedno napięcie badane oraz dwa napięcia referencyjne. Komparator okienkowy pozwala stwierdzić, czy badany sygnał mieści się pomiędzy dwoma napięciami referencyjnymi ("w oknie"), czy jest poniżej, czy powyżej tego okna.
Pomiar Pojemności Kondensatora
Jedną z metod pomiaru pojemności kondensatora jest zbudowanie oscylatora RC z wykorzystaniem jednego lub dwóch komparatorów, którego częstotliwość zależy od dołączonej pojemności. W tej metodzie mierzy się czas potrzebny na naładowanie i rozładowanie kondensatora pomiędzy dwoma charakterystycznymi napięciami granicznymi. Napięcie na kondensatorze będzie naprzemiennie wzrastać i spadać, a czas ładowania i rozładowania jest liniowo zależny od pojemności kondensatora.
Dla tej aplikacji wykorzystuje się tryb okienkowy, sprzęgający dwa komparatory. Napięcia graniczne często ustala się na 1/3 i 2/3 napięcia zasilającego (np. około 1 V i 2 V dla zasilania 3,3 V). Napięcia te można uzyskać z wewnętrznego dzielnika napięcia zasilającego, źródła referencyjnego (bandgap) lub przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) mikrokontrolera. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość graniczną, komparator może wygenerować zdarzenie lub przerwanie, które zmienia stan pinu sterującego ładowaniem/rozładowywaniem kondensatora. Czas ładowania/rozładowywania mierzy się za pomocą wewnętrznego timera mikrokontrolera.
Taki miernik pojemności może mierzyć kondensatory o szerokim zakresie pojemności (np. od 1 µF do 150 µF). Aby zwiększyć zakres pomiarowy, można zmieniać preskaler timera lub zastosować kilka rezystorów o różnych wartościach, automatycznie wybieranych przez algorytm. Dokładność miernika zależy od stabilności generatora sygnału zegarowego.
