Αναλογικά συγκριτικά

Τίτλος συγκριτικά προήλθε από τη Λατινική σύγκριση - σύγκριση. Συσκευές στις οποίες πραγματοποιείται μέτρηση με σύγκριση με ένα τυποποιημένο έργο σχετικά με την αρχή αυτή. Για παράδειγμα, κλίμακες ίσων βραχιόνων ή ηλεκτρικά ποτενσιόμετρα.

Η αρχή της δράσης διακρίνει μεταξύ ηλεκτρικών, πνευματικών, οπτικών και ακόμη και μηχανικών συγκριτικών. Οι τελευταίες χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των μέτρων ακραίου μήκους. Για πρώτη φορά, το 1792 εφαρμόστηκε στο Παρίσι συγκριτικός έλεγχος για τον έλεγχο των τελικών μέτρων, καθώς υπήρχε ένα άρθρο στην εγκυκλοπαίδεια Brockhaus και Efron.

Αυτός ο μηχανικός συγκριτής χρησιμοποιήθηκε για να ελέγξει το πρότυπο 1m στη διαμόρφωση του γαλλικού μετρικού συστήματος. Η ακρίβεια μέτρησης ενός τέτοιου συγκριτή χρησιμοποιώντας ένα σύστημα κινητών μοχλών έφτασε τα 0.0005 mm. Για εκείνη την εποχή ήταν πολύ ακριβής. Αλλά σε αυτό το άρθρο δεν θα εξετάσουμε λεπτομερώς μηχανικούς και άλλους συγκριτικούς παράγοντες, αφού το καθήκον μας είναι να συγκριτές τάσης.

Ενσωματωμένοι συγκριτές. Αρχή δράσης και ποικιλίες

Επί του παρόντος, οι συγκριτές χρησιμοποιούνται κυρίως σε ολοκληρωμένο σχεδιασμό. Λίγοι άνθρωποι θα σκέφτονταν τη συναρμολόγηση ενός συγκριτή από διακριτά τρανζίστορ. Επιπλέον, οι συγκριτές χρησιμοποιούνται ως μέρος ορισμένων κυκλωμάτων.

Για παράδειγμα ενσωματωμένο χρονιστή NE555 περιέχει μέχρι δύο συγκριτές στις εισόδους, πράγμα που στην πραγματικότητα επιτυγχάνει όλη τη γοητεία του έργου του. Επιπλέον, πολλοί σύγχρονους μικροελεγκτές έχουν επίσης ενσωματωμένους συγκριτές. Αλλά, ανεξάρτητα από την εκτέλεση, οι αρχές των συγκριτών είναι ακριβώς οι ίδιες.

Οι σύγχρονοι συγκριτές στο σχήμα είναι παρόμοιοι με τους opamps. Στην πραγματικότητα, αυτός είναι ο ίδιος επιχειρησιακός ενισχυτής, μόνο χωρίς ανατροφοδότηση και με πολύ υψηλό κέρδος. Ο συγκριτής διαθέτει επίσης δύο εισόδους, απευθείας και αντίστροφα (σημειωμένες με ένα σήμα κύκλου ή μείον).

Η κύρια λειτουργία του συγκριτή είναι η σύγκριση δύο τάσεων, μία εκ των οποίων είναι παραδειγματική ή αναφορά, και η άλλη μετράται. Το σήμα εξόδου του συγκριτή μπορεί να λάβει μόνο δύο τιμές: ένα λογικό μηδέν και μια λογική μονάδα, αλλά δεν μπορεί να αλλάξει γραμμικά, όπως ένας λειτουργικός ενισχυτής.

Στην έξοδο των συγκριτών, κατά κανόνα, υπάρχει μια έξοδος τρανζίστορ με ανοιχτό συλλέκτη και εκπομπό. Ως εκ τούτου, μπορεί να συνδεθεί είτε σύμφωνα με ένα κύκλωμα με έναν ΟΕ είτε έναν ακόλουθο εκπομπό, ανάλογα με τις απαιτήσεις ενός συγκεκριμένου κυκλώματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.

Το σχήμα 1α δείχνει την ένταξη ενός τρανζίστορ εξόδου σε ένα κύκλωμα με έναν κοινό εκπομπό. Σε αυτή την περίπτωση, η λογική TTL και CMOS με τάση τροφοδοσίας + 5V μπορεί να συνδεθεί στην έξοδο του καταρράκτη. Εάν η λογική CMOS τροφοδοτείται με τάση 15V, τότε η κορυφαία έξοδος της αντιστάσεως 1Kohm σύμφωνα με το σχέδιο θα πρέπει να συνδεθεί στον δίαυλο ισχύος + 15V.

Όταν το τρανζίστορ εξόδου συνδέεται σύμφωνα με το κύκλωμα ακολουθίας εκπομπού, όπως φαίνεται στο σχήμα 1b, η τάση στην έξοδο του συγκριτή θα κυμαίνεται μεταξύ + 15V ... -15V. Ωστόσο, με αυτή την συμπερίληψη, η ταχύτητα του συγκριτή μειώνεται σημαντικά, και επιπλέον οι είσοδοι «μετατρέπονται» σε θέσεις - οι είσοδοι αντιστρέφονται.

Σχήμα 1

Πώς να ελέγξετε το συγκριτικό, ζωντανό ή όχι;

Αν μια λυχνία LED συνδέεται διαδοχικά με έναν αντιστάτη R στο κύκλωμα που φαίνεται στο σχήμα 1α, συνδέοντας την άνοδο με τάση + 5V και εφαρμόζοντας τάση στις εισόδους χρησιμοποιώντας αντιστάσεις, αλλάζοντας αυτές τις τάσεις χρησιμοποιώντας τουλάχιστον μεταβλητές αντιστάσεις μπορεί να προκαλέσει αναβόσβηση της λυχνίας LED. Σε ποια ακολουθία εφαρμόζεται η τάση αναφοράς και εισόδου μπορεί να βρεθεί περαιτέρω. Αφήστε ένα τέτοιο πρόγραμμα δοκιμής να είναι ένα μικρό πρακτικό έργο.

Η λογική του συγκριτή

Το λειτουργικό διάγραμμα του συγκριτή φαίνεται στο σχήμα 2.

Σχήμα 2. Λειτουργικό διάγραμμα του συγκριτή

Με τόσες εισόδους και σήματα εισόδου, είναι δυνατές δύο επιλογές. Στην πρώτη περίπτωση, που φαίνεται στην αριστερή πλευρά του σχήματος, η τάση αναφοράς εφαρμόζεται στην είσοδο αναστροφής και η τάση εισόδου στο μη-αναστρέψιμο. Εάν η τάση εισόδου υπερβαίνει την τάση αναφοράς, εμφανίζεται ένα υψηλό επίπεδο στην έξοδο του συγκριτή (λογ. 1). Διαφορετικά, θα έχουμε λογικό μηδέν.

Στη δεύτερη έκδοση, που φαίνεται στη δεξιά πλευρά του σχήματος, η τάση αναφοράς εφαρμόζεται στην άμεση είσοδο και η τάση εισόδου στην αναστροφή. Σε αυτή την περίπτωση, εάν η τάση εισόδου είναι μεγαλύτερη από την τάση αναφοράς στην έξοδο του συγκριτή, λογικό μηδέν, διαφορετικά, ενότητα. Στο σχήμα 2, όλα αυτά τα συμπεράσματα παρουσιάζονται με τη μορφή μαθηματικών τύπων.

Αλλά εδώ ένας προσεκτικός αναγνώστης μπορεί να έχει μια δίκαιη ερώτηση: "Κοιτάξτε στο Σχήμα 1, πόσα σημεία υπάρχουν! Για ποιο λόγο μιλάνε, τι μηδέν υπάρχει και πού είναι η μονάδα εδώ; " Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε για τη βάση του τρανζίστορ εξόδου, πιστεύεται ότι αυτή είναι η έξοδος του λειτουργικού ενισχυτή, στην οποία παρέχονται τα σήματα εισόδου. Και το τρανζίστορ εξόδου, όπως υποδεικνύεται στις παρατηρήσεις στο σχήμα 1, μπορεί να ενεργοποιηθεί με οποιονδήποτε τρόπο.

Μερικά χαρακτηριστικά των αναλογικών συγκριτών

Όταν χρησιμοποιούνται συγκριτές, τα χαρακτηριστικά τους πρέπει να λαμβάνονται υπόψη, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε στατικές και δυναμικές. Οι στατικές παράμετροι του συγκριτή είναι εκείνες που προσδιορίζονται σε σταθερή κατάσταση.

Πρώτα απ 'όλα, αυτή είναι η ευαισθησία κατωφλίου του συγκριτή. Ορίζεται ως η ελάχιστη διαφορά των σημάτων εισόδου στην οποία εμφανίζεται ένα λογικό σήμα στην έξοδο.

Εκτός από την είσοδο και την έξοδο, πολλοί συγκριτές έχουν εξόδους για την παροχή τάσης πόλωσης Ucm. Χρησιμοποιώντας αυτή την τάση, πραγματοποιείται η απαραίτητη μετατόπιση του χαρακτηριστικού μεταφοράς σε σχέση με την ιδανική θέση.

Μία από τις κύριες παραμέτρους του συγκριτή είναι η υστέρηση. Ο ευκολότερος τρόπος για να εξηγήσετε αυτό το φαινόμενο είναι να χρησιμοποιήσετε το παράδειγμα με συμβατικό ρελέ. Αφήστε την τάση λειτουργίας του πηνίου, για παράδειγμα, 12V, τότε με αυτό θα λειτουργήσει ο ηλεκτρονόμος. Εάν μετά από αυτό, μειώστε σταδιακά την τάση τροφοδοσίας του πηνίου, τότε ο ρελέ θα απελευθερωθεί, για παράδειγμα, με τάση 7V. Αυτή η διαφορά έως και 5V για αυτό το ρελέ είναι η υστέρηση. Αλλά το ρελέ δεν θα ενεργοποιηθεί ξανά, αν η τάση παραμείνει στο επίπεδο 7V, δεν θα συμβεί. Για να γίνει αυτό, αυξήστε την τάση και πάλι σε 12V. Και τότε ...

Το ίδιο παρατηρείται με τους συγκριτές. Υποθέστε ότι η τάση εισόδου αυξάνεται ομαλά σε σχέση με την τάση αναφοράς (εφαρμόζονται σήματα, όπως φαίνεται στο αριστερό μέρος του Σχήματος 2). Μόλις η τάση εισόδου γίνει υψηλότερη από την τάση αναφοράς (όχι μικρότερη από την τιμή ευαισθησίας κατωφλίου), στην έξοδο του συγκριτή θα εμφανιστεί μια λογική μονάδα.

Εάν η τάση εισόδου αρχίζει τώρα να μειώνεται ομαλά, τότε η μετάβαση από μια λογική μονάδα σε ένα λογικό μηδέν θα συμβεί όταν η τάση εισόδου είναι ελαφρώς χαμηλότερη από την τάση αναφοράς. Η διαφορά στις τάσεις εισόδου σε αυτές τις "πάνω από την αναφορά" και "κάτω από την αναφορά" καλείται η υστέρηση του συγκριτή. Η υστέρηση του συγκριτή οφείλεται στην παρουσία θετικής ανατροφοδότησης σε αυτό, η οποία έχει σχεδιαστεί για να καταστέλλει την "αναπήδηση" του σήματος εξόδου κατά τη μεταγωγή του συγκριτή.

Πώς είναι ο συγκριτής

Το διάγραμμα κυκλώματος στο επίπεδο του τρανζίστορ είναι αρκετά περίπλοκο, μεγάλο, όχι πολύ σαφές, αλλά πρακτικά δεν είναι απαραίτητο. Αυτά είναι τα χαρακτηριστικά σχεδίασης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, φαίνεται ότι τα τρανζίστορ παραμένουν παντού, ακόμη και όταν δεν χρειάζονται. Ως εκ τούτου, είναι καλύτερο να εξεταστεί ένα απλοποιημένο λειτουργικό διάγραμμα του συγκριτή, το οποίο φαίνεται στο σχήμα 3.

Σχήμα 3. Απλοποιημένο λειτουργικό διάγραμμα του συγκριτή

Το διάγραμμα δείχνει το στάδιο διαφορικής εισόδου (DC), τη λογική εξόδου και το κύκλωμα αλλαγής στάθμης.

Η είσοδος DC πραγματοποιεί την κύρια ενίσχυση του σήματος διαφοράς και επίσης με τη βοήθεια μιας συσκευής μεροληψίας καθιστά δυνατή την πραγματοποίηση της προτιμώμενης κατάστασης στην έξοδο, η οποία σας επιτρέπει να επιλέξετε τον τύπο λογικής (TTL, ESL, CMOS) με τον οποίο θα εργαστείτε.Αυτή η ρύθμιση πραγματοποιείται με τη χρήση αντιστάσεως κοπής που συνδέεται με τους ακροδέκτες "εξισορρόπηση".

Συσκευές σύγκρισης μνήμης και μνήμης

Ορισμένοι σύγχρονοι συγκριτές έχουν είσοδο gating: η σύγκριση των σημάτων εισόδου συμβαίνει μόνο τη στιγμή της τροφοδοσίας του αντίστοιχου παλμού. Αυτό σας επιτρέπει να συγκρίνετε τα σήματα εισόδου εκείνη τη χρονική στιγμή όταν απαιτείται. Λοιπόν, σωστά, ό, τι θέλεις! Ένα απλοποιημένο διάγραμμα συνιστωσών ενός συγκριτή με το άνοιγμα φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4. Απλοποιημένο κύκλωμα διαγράμματος ενός συγκριτή

Οι συγκριτές που παρουσιάζονται σε αυτό το σχήμα έχουν έξοδο παραφανούς, όπως μια σκανδάλη, η ανώτερη έξοδος είναι άμεση και η χαμηλότερη, σημειωμένη με ένα κύκλο, είναι φυσικά αντίστροφη. Επιπλέον, η πύλη C εμφανίζεται επίσης εδώ.

Στο Σχήμα 4α, τα σήματα εισόδου είναι κλειστά σε υψηλό επίπεδο στην είσοδο C. Όταν γίνεται πύρωση σε χαμηλό επίπεδο, ο γραφικός χαρακτηρισμός στην είσοδο C θα πρέπει να έχει ένα μικρό κύκλο (σήμα αναστροφής).

Στο Σχήμα 4b, η είσοδος της πύλης C έχει μια παύλα /, πράγμα που υποδεικνύει ότι η είσοδος πραγματοποιείται κατά μήκος της ανερχόμενης ακμής του παλμού. Στην περίπτωση που το πτερύγιο πέφτει προς τα εμπρός, η παύλα έχει αυτήν την κατεύθυνση.

Έτσι, το σήμα πύλης δεν είναι παρά η ανάλυση της σύγκρισης. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης μπορεί να εμφανιστεί στην έξοδο μόνο κατά τη διάρκεια της δράσης του παλμού της πύλης. Αλλά ορισμένα μοντέλα σύγκρισης έχουν μνήμη (μόνο μία ενεργοποίηση είναι αρκετή για αυτό) και θυμηθείτε το αποτέλεσμα σύγκρισης έως ότου φτάσει ο επόμενος παλμός.

Η διάρκεια του παλμού στροβοσκοπίου (η άκρη του) πρέπει να είναι επαρκής για να περάσει το σήμα εισόδου μέσω του DC πριν από τη στιγμή που η κυψέλη μνήμης έχει χρόνο να ενεργοποιήσει. Η χρήση του πλέγματος αυξάνει την ασυλία θορύβου του συγκριτή, καθώς η παρεμβολή μπορεί να αλλάξει την κατάσταση του συγκριτή μόνο σε σύντομο χρονικό παλμό. Συχνά, ο συγκριτής ονομάζεται ADC ενός bit.

Ταξινόμηση των συγκριτών

Με ένα συνδυασμό παραμέτρων, οι συγκριτές μπορούν να χωριστούν σε τρεις μεγάλες ομάδες. Αυτοί είναι συγκριτές γενικής χρήσης, υψηλή ταχύτητα και ακρίβεια. Στην ερασιτεχνική πρακτική, οι πρώτες χρησιμοποιούνται συχνότερα.

Χωρίς υπερφυσικές παραμέτρους για ταχύτητα και κέρδος, η παρουσία μαρκαρίσματος και μνήμης, οι συγκριτές ευρείας εφαρμογής έχουν τις δικές τους ελκυστικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά. Έχουν χαμηλή κατανάλωση ρεύματος, την ικανότητα να λειτουργούν σε χαμηλή τάση και το γεγονός ότι μπορούν να τοποθετηθούν μέχρι και τέσσερις συγκριτές σε μία περίπτωση. Μια τέτοια "οικογένεια" επιτρέπει σε ορισμένες περιπτώσεις τη δημιουργία πολύ χρήσιμων συσκευών. Μία από αυτές τις συσκευές φαίνεται στο σχήμα 5.

Αυτός είναι ο απλούστερος μετατροπέας ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ενιαίο κώδικα. Ένας τέτοιος κώδικας μπορεί να μετατραπεί σε δυαδική ψηφιακή μετατροπή.

Σχήμα 5. Σχέδιο μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ενιαίο κώδικα

Το κύκλωμα περιέχει τέσσερις συγκριτές K1 ... K4. Η τάση αναφοράς εφαρμόζεται στις εισόδους αναστροφής μέσω αντιστατικό διαιρέτη. Αν η αντίσταση των αντιστάσεων είναι ίδια, τότε η τάση στις αντιστρεπτές εισόδους των συγκριτών είναι n * Uop / 4, όπου n είναι ο σειριακός αριθμός του συγκριτή. Η τάση εισόδου εφαρμόζεται στις μη αναστρέψιμες εισόδους που συνδέονται μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα της σύγκρισης της τάσης εισόδου με την τάση αναφοράς στις εξόδους των συγκριτών, έχουμε ένα ενιαίο ψηφιακό κωδικό της τάσης εισόδου.

Αναλυτικότερα, θα εξετάσουμε τις παραμέτρους των συγκριτών γενικού σκοπού, χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του ευρέως διαδεδομένου και αρκετά προσιτού συγκριτή LM311.

Σύγκριση σειράς LM311

Τάσεις τροφοδοσίας και συνθήκες εργασίας

Όπως γράφεται στο φύλλο δεδομένων, αυτοί οι συγκριτές έχουν ρεύματα εισόδου χίλιες φορές μικρότερα από συγκριτές της σειράς LM106 ή LM170. Επιπλέον, οι συγκριτές της σειράς LM311 έχουν ευρύτερο φάσμα τάσεων τροφοδοσίας: από διπολική ± 15V, όπως και σε επιχειρησιακούς ενισχυτές, έως μονοπολική + 5 ... 15V.Αυτή η ευρεία περιοχή ισχύος επιτρέπει τη χρήση των συγκριτών σειράς LM311 σε συνδυασμό με το λειτουργικούς ενισχυτές, καθώς και με διάφορες σειρές λογικών κυκλωμάτων: TTL, CMOS, DTL και άλλα.

Επιπλέον, οι συγκριτές LM311 μπορούν να ελέγχουν άμεσα τους λαμπτήρες και τις περιελίξεις ρελέ με τάσεις λειτουργίας μέχρι 50V και ρεύματα που δεν υπερβαίνουν τα 50mA. Εκτός από το LM311, υπάρχουν επίσης οι συγκριτές LM111 και LM211. Αυτά τα μικροκυκλώματα διαφέρουν στις συνθήκες λειτουργίας, κυρίως στη θερμοκρασία. Το εύρος λειτουργίας του LM311 είναι 0 ° C ... + 70 ° C (εμπορική εμβέλεια) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (βιομηχανική), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (στρατιωτική αποδοχή).

Τα πλήρη εγχώρια ανάλογα του συγκριτή LM311 είναι 521CA3, 554CA3 και κάποιες άλλες. Κατά την αντικατάσταση, δεν χρειάζεται να αλλάξετε το κύκλωμα και δεν χρειάζεται καν να επαναλάβετε την πλακέτα κυκλώματος. Θα πρέπει να δώσετε προσοχή μόνο στο γεγονός ότι οι συγκριτές, όπως και άλλα μικροκυκλώματα, είναι διαθέσιμα σε διάφορες περιπτώσεις, οπότε όταν τα αγοράζετε, θα πρέπει να δώσετε τη μέγιστη προσοχή σε αυτό, ειδικά εάν αυτή η αγορά θα χρησιμοποιηθεί για την επισκευή της τελικής συσκευής.

Το Σχήμα 7 δείχνει το pinout (pinout) του συγκριτή LM311, που έγινε σε διάφορες περιπτώσεις.

Εικόνα 6. Συγκριτικός LM311

Εικόνα 7. Συναρμολόγηση (pinout) του συγκριτή LM311, σε διάφορες περιπτώσεις.

Στην πραγματικότητα, πολλά περισσότερα μπορούν να γραφτούν για τους συγκριτές. Με τη βοήθειά τους μπορείτε να το κάνετε φωτογραφία ρελέ, θερμικό ρελέ, ένδειξη ηλεκτρικού πεδίου, χωρητικό ρελέ και πολλές άλλες χρήσιμες συσκευές.

Πολλά ενδιαφέροντα και χρήσιμα κυκλώματα μπορούν να βρεθούν στο "φύλλο δεδομένων" του συγκριτή LM311, όπου δίδονται ως τυπικά κυκλώματα μεταγωγής. Σε αυτή τη μορφή χρησιμοποιούνται συγκριτικά αρκετά συχνά. Εδώ είναι απλώς περιγραφές τυπικών σχεδίων που δίνονται στην "τυπική", αγγλική γλώσσα. Αλλά ακόμα και χωρίς να ξέρετε μια ξένη γλώσσα, μπορείτε να το καταλάβετε, τουλάχιστον με τη βοήθεια ενός online μεταφραστή της Google.

Συνέχεια άρθρο: Μερικά απλά κυκλώματα σύγκρισης

Μπόρις Αλαντίσκιν