Analoge vergelijkers

naam vergelijkers kwam uit het Latijn vergelijken - vergelijken. Apparaten waarin metingen worden uitgevoerd door vergelijking met een standaardwerk volgens dit principe. Bijvoorbeeld weegschalen met gelijke armen of elektrische potentiometers.

Het werkingsprincipe maakt onderscheid tussen elektrische, pneumatische, optische en zelfs mechanische comparatoren. Deze laatste worden gebruikt voor het controleren van eindlengtematen. Voor het eerst werd in 1792 door Lenoir in Parijs een comparator voor het verifiëren van eindmaatregelen toegepast, omdat er een artikel in de encyclopedie van Brockhaus en Efron staat.

Deze mechanische comparator werd gebruikt om de 1m-standaard te controleren bij de vorming van het Franse metrische systeem. De meetnauwkeurigheid van een dergelijke comparator met behulp van een systeem van beweegbare hendels bereikte 0,0005 mm. Voor die tijd was het zeer nauwkeurig. Maar in dit artikel zullen we niet in detail ingaan op mechanische en andere vergelijkers, omdat het onze taak is spanningsvergelijkers.

Geïntegreerde vergelijkers. Werkingsprincipe en variëteiten

Momenteel worden comparatoren voornamelijk gebruikt in geïntegreerd ontwerp. Weinig mensen zouden denken aan het samenstellen van een comparator van discrete transistoren. Bovendien worden comparatoren gebruikt als onderdeel van sommige circuits.

Bijvoorbeeld geïntegreerde timer NE555 bevat maar liefst twee comparators aan de ingangen, die in feite alle charme van zijn werk hebben bereikt. Bovendien veel moderne microcontrollers hebben ook ingebouwde comparators. Maar, ongeacht de uitvoering, zijn de principes van de vergelijkers precies hetzelfde.

Moderne comparatoren in het schema lijken erg op opamps. In feite is dit dezelfde operationele versterker, alleen zonder feedback en met een zeer hoge versterking. De comparator heeft ook twee ingangen, direct en invers (gemarkeerd met een cirkel of een minteken).

De belangrijkste functie van de comparator is het vergelijken van twee spanningen, waarvan er een voorbeeld of referentie is, en de andere wordt feitelijk gemeten. Het uitgangssignaal van de comparator kan slechts twee waarden aannemen: een logische nul en een logische eenheid, maar kan niet lineair worden gewijzigd, zoals een operationele versterker.

Aan de uitgang van de comparators bevindt zich in de regel een uitgang transistor met open collector en emitter. Daarom kan het worden aangesloten volgens een circuit met een OE of een emittervolger, afhankelijk van de vereisten van een bepaald circuit, zoals weergegeven in figuur 1.

Figuur la toont de opname van een uitgangstransistor in een circuit met een gemeenschappelijke emitter. In dit geval kunnen TTL en CMOS - logica met een voedingsspanning van + 5V worden aangesloten op de uitgang van de cascade. Als de CMOS-logica wordt gevoed door een spanning van 15V, moet de bovenste uitgang van de 1KΩ-weerstand volgens het schema worden aangesloten op de + 15V-voedingsbus.

Wanneer de uitgangstransistor is aangesloten volgens het emittervolgercircuit, zoals weergegeven in figuur 1b, zal de spanning aan de uitgang van de comparator variëren binnen + 15V ... -15V. Met deze opname neemt de snelheid van de comparator echter aanzienlijk af en bovendien worden de ingangen "verwisseld", - de ingangen zijn omgekeerd.

Figuur 1

Hoe de comparator te controleren, levend of niet levend?

Als een LED achtereenvolgens wordt gesoldeerd met een weerstand R in de schakeling getoond in Figuur 1a door de anode aan te sluiten op een + 5V voeding, en spanning wordt aangelegd op de ingangen met weerstanden, dan kan het veranderen van deze spanningen met behulp van ten minste variabele weerstanden ervoor zorgen dat de LED knippert. In welke volgorde de referentie- en ingangsspanning moeten worden toegepast, vindt u verder. Laat zo'n testschema een kleine praktische taak zijn.

De logica van de comparator

Het functionele diagram van de comparator is weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Functioneel diagram van de comparator

Met zoveel ingangen en ingangssignalen zijn twee opties mogelijk. In het eerste geval, aan de linkerkant van de figuur, wordt de referentiespanning op de inverterende ingang en de ingangsspanning op de niet-inverterende ingang toegepast. Als de ingangsspanning de referentiespanning overschrijdt, verschijnt er een hoog niveau aan de uitgang van de comparator (log. 1). Anders hebben we een logische nul.

In de tweede versie, aan de rechterkant van de figuur, wordt de referentiespanning op de directe ingang en de ingangsspanning op de inverterende. In dit geval, als de ingangsspanning groter is dan de referentiespanning aan de uitgang van de comparator, logisch nul, anders eenheid. In figuur 2 worden al deze conclusies weergegeven in de vorm van wiskundige formules.

Maar hier kan een attente lezer een terechte vraag hebben: “Kijk naar figuur 1, hoeveel verkooppunten zijn er! Dus waar hebben ze het over, wat voor nul is er en waar is de eenheid hier? ' In dit geval hebben we het over de basis van de uitgangstransistor, er wordt aangenomen dat dit de uitgang is van de operationele versterker, waaraan de ingangssignalen worden geleverd. En de uitgangstransistor, zoals aangegeven in de opmerkingen bij figuur 1, kan op elke manier worden ingeschakeld.

Enkele kenmerken van analoge comparators

Bij het gebruik van comparators moet rekening worden gehouden met hun kenmerken, die kunnen worden onderverdeeld in statische en dynamische. De statische parameters van de comparator zijn die welke in stabiele toestand worden bepaald.

Allereerst is dit de drempelgevoeligheid van de comparator. Het wordt gedefinieerd als het minimale verschil van de ingangssignalen waarbij een logisch signaal aan de uitgang verschijnt.

Naast input en output hebben veel comparators uitgangen voor het leveren van voorspanning Ucm. Met behulp van deze spanning wordt de noodzakelijke verschuiving van de overdrachtskarakteristiek ten opzichte van de ideale positie uitgevoerd.

Een van de belangrijkste parameters van de comparator is hysterese. De eenvoudigste manier om dit fenomeen uit te leggen, is het voorbeeld te gebruiken met een conventioneel relais. Laat de bedrijfsspanning van de spoel, bijvoorbeeld 12V, dan is het ermee dat het relais zal werken. Als daarna de voedingsspanning van de spoel geleidelijk wordt verlaagd, zal het relais bijvoorbeeld loskomen bij een spanning van 7V. Dit verschil van maar liefst 5V voor dit relais is hysterese. Maar het relais zal niet opnieuw inschakelen, als de spanning op het 7V-niveau blijft, zal het niet gebeuren. Om dit te doen, verhoogt u de spanning opnieuw naar 12V. En toen ...

Hetzelfde wordt waargenomen met comparators. Stel dat de ingangsspanning soepel toeneemt ten opzichte van de referentiespanning (signalen worden aangelegd, zoals weergegeven in het linker gedeelte van figuur 2). Zodra de ingangsspanning hoger wordt dan de referentiespanning (niet minder dan de drempelwaarde van de gevoeligheid), verschijnt een logische eenheid aan de uitgang van de comparator.

Als de ingangsspanning nu geleidelijk begint af te nemen, zal de overgang van een logische eenheid naar een logische nul plaatsvinden wanneer de ingangsspanning iets lager is dan de referentiespanning. Het verschil in ingangsspanningen bij deze "boven de referentie" en "onder de referentie" wordt de hysterese van de comparator genoemd. De hysterese van de comparator is te wijten aan de aanwezigheid van positieve feedback, die is ontworpen om het "stuiteren" van het uitgangssignaal bij het schakelen van de comparator te onderdrukken.

Hoe is de comparator

Het schakelschema op transistorniveau is vrij complex, groot, niet erg duidelijk, maar praktisch niet nodig. Dit zijn de ontwerpkenmerken van geïntegreerde schakelingen, het lijkt erop dat transistors overal uitsteken, zelfs waar ze niet nodig zijn. Daarom is het beter om een ​​vereenvoudigd functioneel diagram van de comparator te overwegen, dat wordt getoond in figuur 3.

Figuur 3. Vereenvoudigd functioneel diagram van de comparator

Het diagram toont de ingangsdifferentiaaltrap (DC), de uitgangslogica en het niveauverschuivingscircuit.

De ingang DC voert de hoofdversterking van het verschilsignaal uit en ook met behulp van een bias-apparaat kan de voorkeursstatus aan de uitgang worden uitgevoerd, waarmee u het type logica (TTL, ESL, CMOS) kunt kiezen waarmee u moet werken.Deze instelling wordt uitgevoerd met behulp van een trimweerstand die is aangesloten op de klemmen "balanceren".

Gating en geheugenvergelijkers

Sommige moderne comparators hebben een poortingang: de vergelijking van ingangssignalen vindt alleen plaats op het moment van levering van de overeenkomstige puls. Hiermee kunt u de ingangssignalen vergelijken op het moment dat dit nodig is. Nou ja, wat je maar wilt! Een vereenvoudigd blokdiagram van een comparator met poort wordt getoond in figuur 4.

Figuur 4. Vereenvoudigd blokdiagram van een comparator

De vergelijkers in deze figuur hebben een parafase-uitgang, zoals een trigger, de bovenste uitgang is direct en de onderste, gemarkeerd met een cirkel, is natuurlijk omgekeerd. Bovendien wordt poort C hier ook getoond.

In Fig. 4a worden de ingangssignalen op een hoog niveau gepoort op ingang C. Bij een laag poorten moet de grafische aanduiding op ingang C een kleine cirkel hebben (inversieteken).

In figuur 4b heeft de poortingang C een streepje /, hetgeen aangeeft dat het poorten plaatsvindt op de stijgende flank van de puls. In het geval van poorten op een vallende voorkant, heeft het dashboard deze richting.

Het poortsignaal is dus niets anders dan de resolutie van de vergelijking. Het resultaat van de vergelijking kan alleen aan de uitgang verschijnen tijdens de actie van de poortpuls. Maar sommige vergelijkingsmodellen hebben geheugen (slechts één trigger is hiervoor voldoende) en onthoud het vergelijkingsresultaat tot de volgende poortpuls arriveert.

De duur van de stroboscooppuls (de flank ervan) moet voldoende zijn om het ingangssignaal door de DC te laten gaan voordat de geheugencel de tijd heeft om te triggeren. Het gebruik van poorten verhoogt de ruisimmuniteit van de comparator, omdat interferentie de status van de comparator alleen in een korte poortpuls kan veranderen. Vaak wordt de comparator een single-bit ADC genoemd.

Classificatie van vergelijkers

Door een combinatie van parameters kunnen comparators in drie grote groepen worden verdeeld. Dit zijn universele vergelijkers, hoge snelheid en precisie. In de amateurpraktijk worden de eerste het meest gebruikt.

Geen bovennatuurlijke parameters voor snelheid en winst, de aanwezigheid van poorten en geheugen, vergelijkers van brede toepassing hebben hun eigen aantrekkelijke eigenschappen en kenmerken. Ze hebben een laag stroomverbruik, de mogelijkheid om op lage spanning te werken en het feit dat tot vier vergelijkers in één geval kunnen worden geplaatst. Met een dergelijke "familie" kunnen in sommige gevallen zeer nuttige apparaten worden gemaakt. Een van deze apparaten wordt getoond in figuur 5.

Dit is de eenvoudigste omzetter van een analoog signaal in een digitale unitaire code. Een dergelijke code kan worden omgezet in binair met behulp van digitale conversie.

Figuur 5. Schema voor het converteren van een analoog signaal naar een digitale unitaire code

Het circuit bevat vier comparatoren K1 ... K4. De referentiespanning wordt doorgegeven aan de inverterende ingangen resistieve verdeler. Als de weerstand van de weerstanden hetzelfde is, dan is de spanning op de inverterende ingangen van de comparators n * Uop / 4, waarbij n het serienummer van de comparator is. Ingangsspanning wordt toegepast op de niet-inverterende ingangen die met elkaar zijn verbonden. Als resultaat van het vergelijken van de ingangsspanning met de referentiespanning aan de uitgangen van de comparators, krijgen we een eenheids digitale code van de ingangsspanning.

In meer detail zullen we de parameters van universele vergelijkers beschouwen met behulp van het voorbeeld van de wijdverbreide en redelijk betaalbare vergelijker LM311.

LM311-serie vergelijkers

Voedingsspanningen en werkomstandigheden

Zoals beschreven in het gegevensblad hebben deze vergelijkers een ingangsstroom die duizend keer kleiner is dan vergelijkers van de LM106- of LM170-serie. Bovendien hebben de vergelijkers uit de LM311-serie een breder scala aan voedingsspanningen: van bipolair ± 15 V, zoals in operationele versterkers, tot unipolair + 5 ... 15 V.Dit brede vermogensbereik maakt het gebruik van de LM311-serie vergelijkers in combinatie met mogelijk operationele versterkers, evenals met verschillende series logische circuits: TTL, CMOS, DTL en andere.

Bovendien kunnen de LM311-vergelijkers rechtstreeks lampen aansturen en wikkelingen doorgeven met bedrijfsspanningen tot 50V en stromen van maximaal 50mA. Naast de LM311 zijn er ook comparators LM111 en LM211. Deze microschakelingen verschillen in bedrijfsomstandigheden, voornamelijk in temperatuur. Het werkbereik van de LM311 is 0 ° C ... + 70 ° C (commercieel bereik) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industrieel), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (militaire acceptatie).

Volledige binnenlandse analogen van de LM311-comparator zijn 521CA3, 554CA3 en enkele anderen. Bij het vervangen hoeft u het circuit niet te veranderen en hoeft u zelfs het circuitbord niet opnieuw te doen. Let alleen op het feit dat vergelijkers, net als andere microschakelingen, in verschillende gevallen beschikbaar zijn, dus als u ze koopt, moet u hier maximaal op letten, vooral als deze aankoop wordt gebruikt om het voltooide apparaat te repareren.

Afbeelding 7 toont de pinout (pinout) van de LM311-comparator, gemaakt in verschillende gevallen.

Figuur 6. Comparator LM311

Figuur 7. Pinout (pinout) van de LM311-comparator, gemaakt in verschillende gevallen.

Eigenlijk kan er veel meer over vergelijkers worden geschreven. Met hun hulp kunt u doen fotorelais, thermisch relais, elektrische veldindicator, capacitief relais en vele andere nuttige apparaten.

Verschillende interessante en nuttige circuits kunnen worden gevonden in de "datasheet" van de LM311-comparator, waar ze worden gegeven als typische schakelcircuits. Het is in deze vorm dat comparatoren vrij vaak worden gebruikt. Hier zijn slechts beschrijvingen van typische schema's gegeven in "typisch", Engels. Maar zelfs zonder een vreemde taal te kennen, kun je erachter komen, althans met behulp van een online vertaler Google.

Vervolg artikel: Enkele eenvoudige vergelijkingscircuits

Boris Aladyshkin