Analogiset vertailut

nimi komparaattorit tuli Latinalaisesta vertailla - vertaa. Laitteet, joissa mittaus suoritetaan vertaamalla tätä periaatetta koskevaan standardityöhön. Esimerkiksi tasavarsivaa'at tai sähköiset potentiometrit.

Toimintaperiaatteessa erotetaan sähköiset, pneumaattiset, optiset ja jopa mekaaniset komparaattorit. Jälkimmäisiä käytetään loppupituuden tarkistamiseen. Lenoir käytti Pariisissa ensimmäistä kertaa vertailua loppumittausten todentamiseksi Pariisissa vuonna 1792, koska Brockhausin ja Efronin tietosanakirjoissa on artikkeli.

Tätä mekaanista vertailijaa käytettiin 1 metrin standardin tarkistamiseen ranskalaisen metrijärjestelmän muodostuksessa. Tällaisen vertailijan mittatarkkuus liikkuvien vipujen järjestelmää käyttäen oli 0,0005 mm. Siihen aikaan se oli erittäin tarkka. Mutta tässä artikkelissa emme harkitse yksityiskohtaisesti mekaanisia ja muita vertailijoita, koska meidän tehtävämme on jännitevertailijat.

Integroidut vertailijat. Toimintaperiaate ja lajikkeet

Tällä hetkellä vertailijoita käytetään pääasiassa integroidussa suunnittelussa. Harva ihmiset ajattelevat vertailijan kokoamista erillisistä transistoreista. Lisäksi vertailijoita käytetään osana joitain piirejä.

Esimerkiksi integroitu ajastin NE555 sisältää sisääntuloissa jopa kaksi vertailijaa, mikä onkin saavutettu hänen työnsä kaikki viehätysvoimat. Lisäksi monet nykyaikaiset mikro-ohjaimet myös sisäänrakennetut vertailut. Mutta riippumatta toteutuksesta, vertailijoiden periaatteet ovat täsmälleen samat.

Järjestelmän nykyaikaiset vertailijat ovat hyvin samanlaisia ​​kuin opamps. Itse asiassa tämä on sama operaatiovahvistin, vain ilman palautetta ja erittäin suurella vahvistuksella. Vertailussa on myös kaksi tuloa, suora ja käänteinen (merkitty ympyrällä tai miinusmerkillä).

Vertailijan päätehtävänä on verrata kahta jännitettä, joista toinen on esimerkillinen tai referenssi, ja toinen tosiasiallisesti mitataan. Vertailijan ulostulosignaalilla voi olla vain kaksi arvoa: looginen nolla ja looginen yksikkö, mutta sitä ei voida muuttaa lineaarisesti, kuten operaatiovahvistin.

Vertailijoiden ulostulossa on yleensä lähtö transistori avoimella keräimellä ja päästölaitteella. Siksi se voidaan kytkeä joko piirin mukaan OE- tai emitteriseurannan kanssa, riippuen tietyn piirin vaatimuksista, kuten kuvassa 1 esitetään.

Kuvio la näyttää lähdötransistorin sisällyttämisen piiriin, jolla on yhteinen säteilijä. Tässä tapauksessa TTL- ja CMOS-logiikat, joiden syöttöjännite on + 5 V, voidaan kytkeä kaskadin ulostuloon. Jos CMOS - logiikka saa virtaa 15 V jännitteellä, kaavion mukaisen 1KΩ - vastuksen ylälähtö tulee kytkeä + 15 V: n tehoväylään.

Kun lähtötransistori on kytketty emitterin seuraajapiirin mukaisesti, kuten kuvassa 1b esitetään, jännite vertailijan ulostulossa vaihtelee + 15 V ... -15 V: n sisällä. Tämän sisällyttämisen myötä vertailijan nopeus kuitenkin vähenee merkittävästi, ja lisäksi tulot “vaihdetaan”, - tulot käännetään.

Kuvio 1

Kuinka tarkistaa vertailija, elossa vai ei elossa?

Jos valodiodi juotetaan peräkkäin vastuksen R kanssa kuvion 1a piirissä kytkemällä anodi + 5 V: n virtalähteeseen ja jännite syötetään sisääntuloihin vastuksia käyttämällä, niin näiden jännitteiden muuttaminen ainakin muuttuvilla vastuksilla voi aiheuttaa LED: n vilkkumisen. Missä järjestyksessä viite- ja tulojännitettä käytetään, voidaan löytää edelleen. Olkoon tällainen testijärjestelmä pieni käytännöllinen tehtävä.

Vertailijan logiikka

Vertailijan toimintakaavio on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2. Vertailijan toimintakaavio

Niin monella tulolla ja tulosignaalilla kaksi vaihtoehtoa ovat mahdollisia. Ensimmäisessä tapauksessa, joka on esitetty kuvan vasemmalla puolella, referenssijännite johdetaan käänteiseen tuloon ja tulojännite ei-kääntävään tuloon. Jos tulojännite ylittää referenssijännitteen, komparaattorin ulostulossa näkyy korkea taso (log. 1). Muuten meillä on looginen nolla.

Toisessa versiossa, joka on esitetty kuvion oikealla puolella, referenssijännite syötetään suoraan tuloon ja tulojännite käänteiseen. Jos tulojännite on suurempi kuin vertailujännite vertailijan ulostulossa, logiikka nolla, muuten, yksikkö. Kuvassa 2 kaikki nämä päätelmät esitetään matemaattisten kaavojen muodossa.

Mutta täällä tarkkaavaisella lukijalla voi olla oikeudenmukainen kysymys: ”Katso kuvasta 1, kuinka monta myyntipistettä on! Joten mistä he puhuvat, millaista nollaa siellä on ja missä yksikkö täällä on? " Tässä tapauksessa puhutaan lähtötransistorin kannasta, uskotaan, että tämä on operaatiovahvistimen lähtö, johon tulosignaalit syötetään. Ja lähtötransistori, kuten kuvan 1 kommentteissa on osoitettu, voidaan kytkeä päälle millä tahansa tavalla.

Jotkut analogisten vertailijoiden ominaisuudet

Vertailijoita käytettäessä on otettava huomioon niiden ominaisuudet, jotka voidaan jakaa staattisiin ja dynaamisiin. Vertailijan staattiset parametrit ovat ne, jotka määritetään vakiotilassa.

Ensinnäkin tämä on vertailijan kynnysherkkyys. Se määritellään tulosignaalien vähimmäiseroa, jolla looginen signaali ilmestyy lähtöön.

Tulon ja ulostulon lisäksi monilla vertailukohteilla on lähtö lähtöjännitteen Ucm syöttämiseksi. Tätä jännitettä käyttämällä suoritetaan siirto-ominaisuuden välttämätön siirto ihanteelliseen asentoon nähden.

Yksi vertailijan pääparametreista on hystereesi. Helpoin tapa selittää tämä ilmiö on käyttää esimerkkiä tavanomaisen releen kanssa. Anna kelan käyttöjännitteen, esimerkiksi 12 V, sitten rele toimii sen kanssa. Jos sen jälkeen pienennä kelan syöttöjännitettä vähitellen, rele vapautuu esimerkiksi 7 V: n jännitteellä. Tämä jopa 5 V ero tällä releellä on hystereesi. Mutta rele ei käynnisty uudelleen, jos jännite pysyy 7 V: n tasolla, niin ei tapahdu. Voit tehdä tämän nostamalla jännite uudelleen 12 V: iin. Ja sitten ...

Sama havaitaan vertailukohteissa. Oletetaan, että tulojännite nousee tasaisesti suhteessa viitejännitteeseen (signaalit syötetään, kuten kuvan 2 vasemmassa osassa esitetään). Heti kun tulojännite tulee korkeammaksi kuin referenssijännite (vähintään kynnyksen herkkyysarvo), looginen yksikkö ilmestyy vertailijan ulostuloon.

Jos tulojännite alkaa nyt laskea tasaisesti, siirtyminen loogisesta yksiköstä loogiseen nollaan tapahtuu, kun tulojännite on hiukan pienempi kuin vertailujännite. Tulojännitteiden eroa näissä “referenssin yläpuolella” ja “referenssin alapuolella” kutsutaan vertailijan hystereesiä. Vertailijan hystereesi johtuu siitä, että siinä on positiivista palautetta, joka on suunniteltu tukahduttamaan lähtösignaalin "poistuminen" komparaattoria vaihtaessa.

Kuinka vertailija on?

Kytkentäkaavio transistorin tasolla on melko monimutkainen, suuri, ei kovin selvä, mutta käytännössä sitä ei tarvita. Nämä ovat integroitujen piirien suunnitteluominaisuudet. Näyttää siltä, ​​että transistorit tarttuvat ulos kaikkialle, jopa silloin, kun niitä ei tarvita. Siksi on parempi harkita vertailijan yksinkertaistettua toimintakaaviota, joka on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Vertailijan yksinkertaistettu toimintakaavio

Kaavio näyttää tulo-erotusasteen (DC), lähtölogiikan ja tasonsiirtopiirin.

Sisääntulo-DC suorittaa erotussignaalin päävahvistuksen, ja myös esijännityslaitteen avulla se mahdollistaa ensisijaisen tilan suorittamisen lähdössä, jonka avulla voit valita logiikan tyypin (TTL, ESL, CMOS), jonka kanssa sinun on työskenneltävä.Tämä asetus suoritetaan trimmausvastuksella, joka on kytketty liittimiin "tasapainotus".

Portti- ja muistivertailut

Joillakin nykyaikaisilla vertailulaitteilla on porttisyöttö: tulosignaalien vertailu tapahtuu vain vastaavan pulssin syöttöhetkellä. Tämän avulla voit verrata tulosignaaleja sinä ajankohtana, jolloin sitä vaaditaan. No, oikein, mitä haluat! Portauksella varustetun vertailijan yksinkertaistettu lohkokaavio on esitetty kuvassa 4.

Kuva 4. Vertailijan yksinkertaistettu lohkokaavio

Tässä kuviossa esitetyillä vertailijoilla on parafaasilähtö, kuten liipaisin, ylempi lähtö on suora ja alempi, ympyrällä merkitty, luonnollisesti käänteinen. Lisäksi tässä esitetään myös portti C.

Kuviossa 4a tulosignaalit on porteilla korkealla tasolla tulossa C. Kun portteja on alhaisella tasolla, tulon C graafisella merkinnällä tulisi olla pieni ympyrä (käänteismerkki).

Kuviossa 4b hilatulossa C on viiva /, joka osoittaa, että portaaminen tapahtuu pulssin nousevalla reunalla. Jos portetaan putoavalle eteen, viivalla on tämä suunta.

Siten porttisignaali ei ole muuta kuin vertailun resoluutio. Vertailun tulos voi näkyä ulostulossa vain hilapulssin toiminnan aikana. Mutta joillakin vertailumalleilla on muisti (vain yksi liipaisin riittää tähän) ja muista vertailutulos, kunnes seuraava porttipulssi saapuu.

Strobe-pulssin (sen reunan) keston on oltava riittävä, jotta tulosignaali kulkee DC: n läpi, ennen kuin muistisolulla on aika laukaista. Portauksen käyttö lisää vertailijan kohinaherkkyyttä, koska häiriöt voivat muuttaa vertailijan tilaa vain lyhyessä aikaporttipulssissa. Usein vertailijaa kutsutaan yksibittiseksi ADC: ksi.

Vertailijoiden luokittelu

Parametrien yhdistelmällä vertailijat voidaan jakaa kolmeen suureen ryhmään. Nämä ovat yleiskäyttöön tarkoitettuja vertailukoneita, nopeaa ja tarkkuutta. Amatöörikäytännössä entisiä käytetään useimmiten.

Koska nopeuden ja hyötyjen suhteen ei ole yliluonnollisia parametreja, portin ja muistin läsnäololla, laaja-alaisilla vertailukohteilla on omat houkuttelevat ominaisuutensa ja ominaisuudet. Niiden virrankulutus on alhainen, kyky työskennellä alhaisella jännitteellä ja tosiasia, että yhdessä tapauksessa voi sijaita jopa neljä komparaattoria. Tällainen "perhe" sallii joissain tapauksissa luoda erittäin hyödyllisiä laitteita. Yksi näistä laitteista on esitetty kuvassa 5.

Tämä on yksinkertaisin analogisen signaalin muunnin digitaaliseksi yhtenäiseksi koodiksi. Tällainen koodi voidaan muuntaa binääriseksi digitaalimuunnosta käyttämällä.

Kuva 5. Kaavio analogisen signaalin muuntamiseksi digitaaliseksi yhtenäiseksi koodiksi

Piiri sisältää neljä vertailijaa K1 ... K4. Viitejännite johdetaan käänteisiin tuloihin läpi resistiivinen jakaja. Jos vastuksien resistanssi on sama, niin jännite komparaattorien käänteistuloissa on n * Uop / 4, missä n on komparaattorin sarjanumero. Tulojännite johdetaan ei-invertoiviin tuloihin, jotka on kytketty toisiinsa. Tulojännitteen vertailun tuloksena vertailupisteiden vertailujännitteisiin saadaan tulojännitteen yhtenäinen digitaalinen koodi.

Tarkemmin tarkastellaan yleiskäyttöön tarkoitettujen vertailulaitteiden parametreja käyttämällä laajalle levinneen ja melko edullisen vertailukohdan LM311 esimerkkiä.

LM311-sarjan vertailut

Syöttöjännitteet ja työolot

Kuten käyttölehdessä on kirjoitettu, näiden vertailijoiden tulovirrat ovat tuhat kertaa pienemmät kuin LM106- tai LM170-sarjan vertailut. Lisäksi LM311-sarjan vertailijoilla on laajempi syöttöjännitealue: bipolaarisesta ± 15 V, kuten operaatiovahvistimissa, yksinapaiseen + 5 ... 15 V.Tämä laaja tehoalue mahdollistaa LM311-sarjan vertailijoiden käytön yhdessä operaatiovahvistimet, samoin kuin monien erilaisten logiikkapiirien sarjojen kanssa: TTL, CMOS, DTL ja muut.

Lisäksi LM311-komparaattorit voivat suoraan ohjata lamppuja ja relekäämiä käyttöjännitteellä enintään 50 V ja virroilla, jotka eivät ylitä 50 mA. LM311: n lisäksi on olemassa myös vertailijoita LM111 ja LM211. Nämä mikropiirit eroavat käyttöolosuhteista, pääasiassa lämpötilasta. LM311: n toiminta-alue on 0 ° C ... + 70 ° C (kaupallinen alue) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (teollisuus), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (armeijan hyväksyntä).

LM311-vertailijan täydelliset kotimaiset analogit ovat 521CA3, 554CA3 ja jotkut muut. Kun vaihdat, sinun ei tarvitse vaihtaa piiriä eikä sinun tarvitse edes tehdä uudelleen piirilevyä. Sinun tulisi kiinnittää huomiota vain siihen, että vertailijoita, kuten muitakin mikropiirejä, on saatavana eri tapauksissa, joten kiinnittäessäsi niitä huomiota, kun ostat niitä, varsinkin jos tätä ostoa käytetään valmiin laitteen korjaamiseen.

Kuvio 7 esittää LM311-vertailijan pinout (pinout), tehty useissa tapauksissa.

Kuva 6. Vertailu LM311

Kuva 7. LM311-vertailijan pinout (pinout), tehty useissa tapauksissa.

Itse asiassa vertailijoista voi kirjoittaa paljon enemmän. Heidän avullaan voit tehdä valokuvarele, lämpörele, sähkökentän ilmaisin, kapasitiivinen rele ja monia muita hyödyllisiä laitteita.

LM311-vertailijan "lomakkeesta" löytyy useita mielenkiintoisia ja hyödyllisiä piirejä, joissa ne annetaan tyypillisinä kytkentäpiireinä. Juuri tässä muodossa vertailijoita käytetään melko usein. Tässä on vain kuvaus tyypillisistä järjestelmistä, jotka on annettu englanniksi "tyypillinen". Mutta jopa tuntematta vieraita kieliä, voit selvittää sen, ainakin online-kääntäjän Googlen avulla.

Jatkuu artikkeli: Joitakin yksinkertaisia ​​vertailupiirejä

Boris Aladyshkin