Аналогови сравнители

име сравняваните дойде от латински сравнение - сравни. Устройства, в които се извършва измерване чрез сравняване със стандартна работа на този принцип. Например, везни с равни ръце или електрически потенциометри.

Принципът на действие разграничава електрически, пневматични, оптични и дори механични сравнители. Последните се използват за проверка на мерките за крайна дължина. За първи път в Париж от Lenoir е приложен сравнител за проверка на крайните мерки през 1792 г., тъй като в енциклопедията на Brockhaus и Efron има статия.

Този механичен сравнител е използван за проверка на 1 м стандарт при формирането на френската метрична система. Точността на измерване на такъв компаратор, използващ система от подвижни лостове, достига 0,0005 mm. За онова време беше много точно. Но в тази статия няма да разглеждаме подробно механичните и други сравнители, тъй като нашата задача е да сравнители на напрежение.

Интегрирани сравнители. Принцип на действие и разновидности

Понастоящем сравнителите се използват главно в интегриран дизайн. Малко хора биха се сетили да сглобят сравнител от дискретни транзистори. Освен това сравнителите се използват като част от някои схеми.

Например интегриран таймер NE555 съдържа най-много два сравнителя на входовете, с което всъщност се постига цялото очарование на неговата работа. В допълнение, много модерни микроконтролери също имат вградени компаратори. Но, независимо от изпълнението, принципите на сравнителите са абсолютно еднакви.

Съвременните сравнители в схемата са много подобни на opamps. Всъщност това е същия оперативен усилвател, само без обратна връзка и с много голямо усилване. Сравнителят също има два входа, директен и обратен (отбелязан с кръг или знак минус).

Основната функция на сравнителя е да сравнява две напрежения, едното от които е примерно или референтно, а другото реално се измерва. Изходният сигнал на сравнителя може да приеме само две стойности: логическа нула и логическа единица, но не може да се променя линейно, като операционен усилвател.

На изхода на сравнителите по правило има изход транзистор с отворен колектор и емитер. Следователно, тя може да бъде свързана или по схема с OE или последовател на емитер, в зависимост от изискванията на определена схема, както е показано на фигура 1.

Фигура 1а показва включването на изходен транзистор във верига с общ емитер. В този случай към изхода на каскадата могат да бъдат свързани TTL и CMOS - логика с захранващо напрежение + 5V. Ако CMOS - логиката се захранва от напрежение 15V, тогава горният изход на 1KΩ резистор според схемата трябва да бъде свързан към захранващата шина + 15V.

Когато изходният транзистор е свързан според схемата на последователя на емитер, както е показано на фигура 1b, напрежението на изхода на сравнителя ще варира в рамките на + 15V ... -15V. С това включване обаче скоростта на сравнителя намалява значително и в допълнение входовете се „разменят“ на места - входовете се обръщат.

Фигура 1

Как да проверя сравнителя, жив или не жив?

Ако светодиодът е последователно споен с резистор R във веригата, показана на фигура 1а, чрез свързване на анода към захранване с + 5V и напрежението се прилага към входовете с помощта на резистори, тогава промяната на тези напрежения с помощта на поне променливи резистори може да доведе до мигането на светодиода. В каква последователност да се приложи еталонното и входното напрежение може да се намери допълнително. Нека подобна тестова схема е малка практическа задача.

Логиката на сравнителя

Функционална схема на сравнителя е показана на фигура 2.

Фигура 2. Функционална схема на сравнителя

При толкова много входове и входни сигнали са възможни две опции. В първия случай, показан от лявата страна на фигурата, референтното напрежение се прилага към инвертиращия вход, а входното напрежение към неинвертиращия. Ако входното напрежение надвишава еталонното напрежение, на изхода на компаратора ще се появи високо ниво (лог. 1). В противен случай ще имаме логическа нула.

Във втората версия, показана от дясната страна на фигурата, референтното напрежение се прилага към директния вход, а входното напрежение към обръщащото. В този случай, ако входното напрежение е по-голямо от референтното напрежение на изхода на сравнителя, логическата нула, в противен случай, единство. На фигура 2 всички тези заключения са показани под формата на математически формули.

Но тук внимателният читател може да има справедлив въпрос: „Вижте фигура 1, колко са търговските обекти! И така, за кого говорим, каква нула има и къде е единицата тук? " В този случай говорим за основата на изходния транзистор, смята се, че това е изходът на операционния усилвател, към който се подават входните сигнали. И изходният транзистор, както е посочено в коментарите към фигура 1, може да бъде включен по всякакъв начин.

Някои характеристики на аналоговите сравнители

Когато използвате сравнители, трябва да се вземат предвид техните характеристики, които могат да бъдат разделени на статични и динамични. Статичните параметри на сравнителя са тези, които се определят в стабилно състояние.

На първо място, това е праговата чувствителност на сравнителя. Определя се като минимална разлика на входните сигнали, при които на изхода се появява логически сигнал.

Освен вход и изход, много сравнители имат изходи за подаване на напрежение на отклонение Ucm. Използвайки това напрежение, се извършва необходимото изместване на характеристиката на предаване спрямо идеалната позиция.

Един от основните параметри на сравнителя е хистерезисът. Най-лесният начин да се обясни това явление е да се използва примерът с конвенционално реле. Оставете работното напрежение на бобината, например, 12V, тогава именно с нея ще работи релето. Ако след това постепенно намалете захранващото напрежение на бобината, тогава релето ще се освободи, например, при напрежение 7V. Тази разлика от колкото 5V за това реле е хистерезис. Но релето няма да се включи отново, ако напрежението остане на ниво 7V, това няма да се случи. За да направите това, повишете отново напрежението до 12V. И тогава ...

Същото се наблюдава и при сравнителните. Да предположим, че входното напрежение се повишава плавно спрямо референтното напрежение (сигналите се прилагат, както е показано в лявата част на фигура 2). Щом входното напрежение стане по-високо от еталонното напрежение (не по-малко от стойността на праговата чувствителност), на изхода на сравнителя ще се появи логическа единица.

Ако входното напрежение сега започне плавно да намалява, тогава преходът от логическа единица към логическа нула ще се случи, когато входното напрежение е малко по-ниско от референтното напрежение. Разликата в входните напрежения при тези „над еталона“ и „под еталона“ се нарича хистерезис на сравнителя. Хистерезисът на сравнителя се дължи на наличието в него на положителна обратна връзка, която е предназначена да потисне „отскока“ на изходния сигнал при превключване на сравнителя.

Как е сравнителят

Схемата на веригата на транзистора е доста сложна, голяма, не много ясна, но практически не е необходима. Това са конструктивните характеристики на интегралната схема, изглежда, че транзисторите стърчат навсякъде, дори и там, където не са необходими. Следователно е по-добре да разгледаме опростена функционална схема на сравнителя, която е показана на фигура 3.

Фигура 3. Опростена функционална схема на сравнителя

Диаграмата показва етапа на входния диференциал (DC), изходната логика и веригата за изместване на нивото.

Входният постоянен ток извършва основното усилване на различния сигнал, а също така с помощта на пристрастие устройство позволява да се извърши предпочитаното състояние на изхода, което ви позволява да изберете типа логика (TTL, ESL, CMOS), с който трябва да работите.Тази настройка се извършва с помощта на подрязващ резистор, свързан към клемите "балансиращи".

Сравнители на Gating и памет

Някои съвременни сравнители имат входен решетка: сравнението на входните сигнали става само в момента на подаване на съответния импулс. Това ви позволява да сравнявате входните сигнали в този момент във времето, когато е необходимо. Е, точно, каквото ти харесва! Опростена блокова схема на компаратор с решетка е показана на фигура 4.

Фигура 4. Опростена блокова схема на сравнител

Сравнителите, показани на тази фигура, имат парафазен изход, подобно на спусъка, горният изход е директен, а долният, отбелязан с кръг, е естествено обратен. Освен това тук е показана и врата C.

На фиг. 4а, входните сигнали са затворени на високо ниво на вход С. Когато се редуват на ниско ниво, графичното обозначение на вход С трябва да има малък кръг (инверсионен знак).

На фиг. 4b, входът на портата C има тире /, което показва, че решетката се появява на нарастващия ръб на импулса. В случай на резки на падащ фронт, тирето има тази посока.

По този начин сигналът за решетка не е нищо друго освен резолюцията на сравнението. Резултатът от сравнението може да се появи на изхода само по време на действието на импулса на портата. Но някои сравнителни модели имат памет (само един спусък е достатъчен за това) и запомнят резултата от сравнението до пристигането на следващия импулс.

Продължителността на стробовия импулс (нейният ръб) трябва да е достатъчна, за да може входният сигнал да премине през постояннотока, преди клетката с памет да има време да се задейства. Използването на решетъците повишава защитния имунитет на сравнителя, тъй като смущения могат да променят състоянието на компаратора само за кратко време импулс на решетката. Често сравнителят се нарича еднобитов ADC.

Класификация на сравнителите

Чрез комбинация от параметри сравнителите могат да бъдат разделени на три големи групи. Това са компаратори с общо предназначение, висока скорост и прецизност. В любителската практика най-често се използват първите.

Като нямат свръхестествени параметри за скорост и печалба, наличието на решетка и памет, сравнително широко приложение имат свои атрактивни свойства и характеристики. Те имат ниска консумация на енергия, способността да работят при ниско напрежение и факта, че в един случай могат да бъдат разположени до четири компаратора. Подобно "семейство" позволява в някои случаи да се създават много полезни устройства. Едно от тези устройства е показано на фигура 5.

Това е най-простият преобразувател на аналогов сигнал в цифров унитарен код. Такъв код може да бъде преобразуван в двоичен с помощта на цифрово преобразуване.

Фигура 5. Схема на преобразуване на аналогов сигнал в цифров унитарен код

Веригата съдържа четири сравнителя K1 ... K4. Референтното напрежение се прилага към инвертиращите входове през резистивен разделител, Ако съпротивлението на резисторите е същото, тогава напрежението на инвертиращите входове на сравнителите е n * Uop / 4, където n е серийният номер на сравнителя. Входното напрежение се прилага към неинвертиращите входове, свързани заедно. В резултат на сравняването на входното напрежение с референтното напрежение на изходите на сравнителите получаваме единен цифров код на входното напрежение.

По-подробно ще разгледаме параметрите на компаратори с общо предназначение, използвайки примера на широко разпространения и сравнително достъпен компаратор LM311.

Сравнители на серия LM311

Захранващи напрежения и условия на работа

Както е написано в информационния лист, тези сравнители имат входни токове хиляда пъти по-малки от сравнители от серията LM106 или LM170, В допълнение, компараторите от серия LM311 имат по-широк диапазон от захранващи напрежения: от биполярни ± 15 V, както в операционните усилватели, до униполярни + 5 ... 15V.Този широк диапазон на мощност позволява използването на компаратори от серията LM311 заедно с операционни усилватели, както и с различни серии логически схеми: TTL, CMOS, DTL и други.

В допълнение, сравнителните устройства LM311 могат директно да управляват лампите и релейните намотки с работно напрежение до 50 V и токове, които не надвишават 50mA. В допълнение към LM311 има и сравнители LM111 и LM211. Тези микросхеми се различават по условия на работа, главно по температура. Работният диапазон на LM311 е 0 ° C ... + 70 ° C (търговски обхват) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (промишлен), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (военно приемане).

Пълните вътрешни аналози на сравнителя LM311 са 521CA3, 554CA3 и някои други. При подмяна не е необходимо да сменяте веригата и дори не е необходимо да преработвате платката. Трябва да обърнете внимание само на факта, че сравнителните устройства, подобно на други микросхеми, се предлагат в различни случаи, така че когато ги купувате, трябва да обърнете максимално внимание на това, особено ако тази покупка ще бъде използвана за ремонт на готовото устройство.

На фигура 7 е показано изравняването (pinout) на сравнителния LM311, направен в различни случаи.

Фигура 6. Сравнител LM311

Фигура 7. Изрязване (щифт) на LM311 компаратора, направено в различни случаи.

Всъщност за сравнители може да се пише много повече. С тяхна помощ можете да направите фото реле, термично реле, индикатор за електрическо поле, капацитивно реле и много други полезни устройства.

Няколко интересни и полезни схеми могат да бъдат намерени в „листа с данни“ на сравнителния LM311, където те са дадени като типични комутационни вериги. Именно в тази форма сравнителите се използват доста често. Ето само описания на типични схеми, дадени на "типичен", английски. Но дори и без да знаете чужд език, можете да го разберете, поне с помощта на онлайн преводач Google.

Продължаваща статия: Някои прости сравнителни схеми

Борис Аладишкин