สำหรับหัวข้อนี้ จะเป็นการอธิบายหลักการทำงานของ Window Comparator Circuit และการนำไปประยุกต์ใช้งาน
ก่อนอื่นผู้เขียนขออธิบายพื้นฐานการทำงานของ Op-Amp คร่าวๆก่อน
op-amp เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดจาก Component ต่างๆมาประกอบกัน เพื่อให้เกิดการทำงานร่วมกัน หรือเรียกกันว่า IC ( Integrated Circuit ) ซึ่งเป็นที่นิยมมากในวงการอิเล็กทรอนิกส์ op-amp มีการใช้งานที่หลากหลาย แต่ในเนื้อหานี้จะขอนำเสนอการนำ op-amp มาใช้ในการเปรียบเทียบสัญญาณ ( Comparator ) จะตรวจจับความแตกต่างของสัญญาณที่เข้ามาทาง input
สัญลักษณ์ op-amp มีลักษณะเป็นรูปสามเหลี่ยม ด้านซ้ายจะเป็นสัญญาณ input จะมีขั้ว non-inverting (V+) และ inverting (V-) ส่วนทางด้านขวาจะเป็นสัญญาณ output (Vout) op-amp ต้องการไฟเลี้ยง ซึ่งเป็นไฟกระแสตรงเพื่อเลี้ยงวงจร ส่วนมากจะมีทั้งไฟบวกและลบ ( ไฟลบต่อลง ground ก็มี ) จึงมีขา Vs+ และ Vs- ตามรูปด้านล่าง
ตัวอย่าง Window comparator circuit จาก TI
เป็นการประยุกต์ใช้ Comparator 2 วงจร มาต่อแบบขนานกัน ถ้าหากสัญญาณที่เข้ามาอยู่ในช่วงแรงดันอ้างอิง สัญญาณ Output จะออกเป็น High แต่ถ้าอยู่นอกแรงดันอ้างอิง Output จะเป็น Low จากวงจร แรงดันอ้างอิงจะใช้ Power Supply ทำ Voltage Dividers เข้าขั้ว non-inverting (V+) ของ op-amp ตัวที่ 1 และ inverting (V-) ของ op-amp ตัวที่ 2 ส่วน Vout ของ TLV1702 เป็น open-corrector จะมีค่าเท่ากับ Vpu = 10V
Vh (Upper Threshold) 3.33V
Vl (Lower Threshold) : 1.66V
Upper to Lower Threshold Ratio : 2
การคำนวณ
การนำไปประยุกต์ใช้งาน
สำหรับเนื้อหานี้จะขอนำเสนอการนำวงจร Window Comparator ไปใช้ในการตรวจจับวัดความกว้างของ Pulse ช่วง High ( 48V )
โดยสัญญาณ Input จะเป็น Pulse มีแรงดันสูงสุดที่ 48V และ ต่ำสุดที่ 15V ( IN_01P ‐ IN_01N )
ผู้เขียนได้เลือก op-amp เบอร์ LM393BIDDFR ของ TI มาใช้งานลักษณะการวงจรตามภาพด้านล่างนี้
CH1 : U1a.2
CH3 : IN_01N
CH4 : IN_01P
การคำนวณ
● กรณี แรงดัน Vin(H) = 48V
Voltage Divider
Vin(H) = ( V(IN_01P) – V(IN_01N) ) x ( R50 / ( R50 + R49 ) )
Vin(H) = ( 48 – 0 ) x ( 20k / ( 20k + 100k )
Vin(H) = 8V
แรงดันอ้างอิง Upper
Vref(h) = V x ( R43 / ( R43 + R45 ) )
Vref(h) = 15V x ( 12.7k / ( 12.7k + 10k ) )
Vref(h) = 8.4V
แรงดันอ้างอิง Lower
Vref(l) = V x ( R43 / ( R43 + R45 ) )
Vref(l) = 15V x ( 10.2k / ( 10.2k + 10k ) )
Vref(l) = 7.6V
ถ้าหากแรงดัน Vin(H) อยู่ในช่วง 8.4V ～ 7.6V จะได้ Vout(H) = 15V หากอยู่นอกเกณฑ์ Vout(H) = 0V
● กรณีแรงดัน Vin(L) = 15V
Voltage Divider
Vin(L) = ( V(IN_01P) – V(IN_01N) ) x ( R50 / ( R50 + R49 ) )
Vin(L) = ( 15 – 0 ) x ( 20k / ( 20k + 100k )
Vin(L) = 2.5V
แรงดันอ้างอิง Upper
Vref(h) = V x ( R43 / ( R43 + R45 ) )
Vref(h) = 15V x ( 2.1k / ( 2.1k + 10k ) )
Vref(h) = 2.6V
แรงดันอ้างอิง Lower
Vref(l) = V x ( R43 / ( R43 + R45 ) )
Vref(l) = 15V x ( 1.87k / ( 1.87k + 10k ) )
Vref(l) = 2.36V
ถ้าหากแรงดัน Vin(L) อยู่ในช่วง 2.6V ～ 2.36V จะได้ Vout(L) = 15V หากอยู่นอกเกณฑ์ Vout(L) = 0V
เนื่องจากต้องนำสัญญาณที่ได้ไปประมวลผลต่อ เพื่อวัดความกว้างของสัญญาณ จำเป็นต้องใช้ Photocoupler เพื่อ Isolation ระหว่าง Vout(H,L) กับ 3.3V ( ดูรูปที่ 2 ประกอบ )
เฉพาะฉนั้นสัญญาณที่ H_01_L และ L_01_L จะมีลักษณะกลับกัน ( invert )
แสดงตามภาพด้านล่างนี้
หากนำสัญญาณ H_01_L และ L_01_L ไปประมวลผลต่อ ก็จะสามารถวัดความกว้างของสัญญาณได้ตามที่เราต้องการ ( จะต้องบวก propagation delay ที่เกิดจาก op-amp , Photo Coupler เข้าไปด้วย )
บทความนี้ขอจบการประยุกต์ใช้งานวงจร window comparator ไว้เพียงเท่านี้ก่อนนะครับ ผู้อ่านท่านใดมีความคิดเห็น, คำแนะนำ, ข้อเสนอแนะและคำถามสามารถสอบถามเพิ่มเติมทางอีเมล์ ndrs@ndrsolution.com ได้เลยครับ ทาง NDRS เราจะมีผู้เชี่ยวชาญมาคอยแบ่งบันความรู้เรื่อยๆ และหากกำลังท่านกำลังมองหาผู้เชี่ยวชาญเพื่อมาช่วยแก้ปัญหาให้กับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถติดต่อผ่านเราได้ทุกช่องทาง ไม่ว่าจะเป็นอีเมลล์ หรือ facebook ครับ