Komparatory analogowe

Tytuł komparatory pochodzi z łacińskiego porównania - porównaj. Urządzenia, w których dokonuje się pomiaru, porównując ze standardową pracą na tej zasadzie. Na przykład wagi o jednakowym ramieniu lub potencjometry elektryczne.

Zasada działania rozróżnia komparatory elektryczne, pneumatyczne, optyczne, a nawet mechaniczne. Te ostatnie służą do sprawdzania miar długości końcowej. Po raz pierwszy Lenoir w 1792 r. Zastosował w Paryżu komparator do weryfikacji miar końcowych, ponieważ w encyklopedii Brockhaus i Efron znajduje się artykuł.

Ten mechaniczny komparator został użyty do sprawdzenia standardu 1 m przy tworzeniu francuskiego systemu metrycznego. Dokładność pomiaru takiego komparatora wykorzystującego system ruchomych dźwigni osiągnęła 0,0005 mm. W tym czasie było to bardzo dokładne. Ale w tym artykule nie będziemy szczegółowo rozważać mechanicznych i innych komparatorów, ponieważ naszym zadaniem jest komparatory napięcia.

Zintegrowane komparatory. Zasada działania i odmiany

Obecnie komparatory są stosowane głównie w projektach zintegrowanych. Mało kto pomyślałby o złożeniu komparatora z dyskretnych tranzystorów. Ponadto komparatory są używane jako część niektórych obwodów.

Na przykład zintegrowany zegar NE555 zawiera aż dwa komparatory na wejściach, co w rzeczywistości osiąga cały urok jego pracy. Ponadto wielu nowoczesne mikrokontrolery mają również wbudowane komparatory. Ale niezależnie od wykonania zasady komparatorów są dokładnie takie same.

Nowoczesne komparatory w schemacie są bardzo podobne do opamps. W rzeczywistości jest to ten sam wzmacniacz operacyjny, tylko bez sprzężenia zwrotnego i z bardzo wysokim wzmocnieniem. Komparator ma również dwa wejścia, bezpośredni i odwrotny (oznaczone kółkiem lub znakiem minus).

Główną funkcją komparatora jest porównywanie dwóch napięć, z których jedno jest przykładowe lub referencyjne, a drugie jest faktycznie mierzone. Sygnał wyjściowy komparatora może przyjmować tylko dwie wartości: logiczne zero i jednostkę logiczną, ale nie można go zmienić liniowo, jak wzmacniacz operacyjny.

Na wyjściu komparatorów z reguły jest wyjście tranzystor z otwartym kolektorem i emiterem. Dlatego można go podłączyć albo do obwodu z urządzeniem OE, albo do nadajnika emitera, w zależności od wymagań konkretnego obwodu, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1a pokazuje włączenie tranzystora wyjściowego w obwód ze wspólnym emiterem. W takim przypadku do wyjścia kaskady można podłączyć układ TTL i CMOS - logikę o napięciu zasilania + 5 V. Jeśli układ CMOS - logika jest zasilany napięciem 15 V, wówczas górne wyjście rezystora 1KΩ zgodnie ze schematem należy podłączyć do szyny zasilającej + 15 V.

Gdy tranzystor wyjściowy jest podłączony zgodnie z obwodem wtórnika emitera, jak pokazano na rysunku 1b, napięcie na wyjściu komparatora będzie się wahać w granicach + 15 V ... -15 V. Jednak dzięki temu włączeniu prędkość komparatora znacznie spada, a ponadto dane wejściowe są „zamieniane”, - dane wejściowe są odwrócone.

Rycina 1

Jak sprawdzić komparator, żywy czy nieżywy?

Jeśli dioda LED zostanie kolejno przylutowana z rezystorem R w obwodzie pokazanym na rysunku 1a poprzez podłączenie anody do zasilania + 5 V, a napięcie zostanie przyłożone do wejść za pomocą rezystorów, wówczas zmiana tych napięć za pomocą co najmniej zmiennych rezystorów może spowodować miganie diody LED. W jakiej kolejności zastosować napięcie odniesienia i napięcie wejściowe można znaleźć dalej. Niech taki schemat testowy będzie małym praktycznym zadaniem.

Logika komparatora

Schemat działania komparatora pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat działania komparatora

Przy tak wielu wejściach i sygnałach wejściowych możliwe są dwie opcje. W pierwszym przypadku, pokazanym po lewej stronie rysunku, napięcie odniesienia jest przykładane do wejścia odwracającego, a napięcie wejściowe do wejścia nieodwracającego. Jeśli napięcie wejściowe przekroczy napięcie odniesienia, na wyjściu komparatora pojawi się wysoki poziom (log. 1). W przeciwnym razie będziemy mieli logiczne zero.

W drugiej wersji, pokazanej po prawej stronie rysunku, napięcie odniesienia jest przyłożone do wejścia bezpośredniego, a napięcie wejściowe do napięcia odwracającego. W takim przypadku, jeśli napięcie wejściowe jest wyższe niż napięcie odniesienia na wyjściu komparatora, zero logiczne, w przeciwnym razie jedność. Na rycinie 2 wszystkie te wnioski przedstawiono w postaci wzorów matematycznych.

Ale tutaj uważny czytelnik może mieć uczciwe pytanie: „Spójrz na rysunek 1, ile jest punktów sprzedaży! Więc o czym oni mówią, jaki jest zero i gdzie jest ta jednostka? W tym przypadku mówimy o podstawie tranzystora wyjściowego, uważa się, że jest to wyjście wzmacniacza operacyjnego, do którego dostarczane są sygnały wejściowe. Tranzystor wyjściowy, jak wskazano w komentarzach do Ryc. 1, można włączyć w dowolny sposób.

Niektóre cechy komparatorów analogowych

Podczas korzystania z komparatorów należy wziąć pod uwagę ich cechy, które można podzielić na statyczne i dynamiczne. Parametry statyczne komparatora są określone w stanie ustalonym.

Przede wszystkim jest to czułość progowa komparatora. Jest on definiowany jako minimalna różnica sygnałów wejściowych, przy której na wyjściu pojawia się sygnał logiczny.

Oprócz wejścia i wyjścia wiele komparatorów ma wyjścia do dostarczania napięcia polaryzacji Ucm. Za pomocą tego napięcia dokonuje się niezbędne przesunięcie charakterystyki przenoszenia względem idealnej pozycji.

Jednym z głównych parametrów komparatora jest histereza. Najłatwiejszym sposobem wyjaśnienia tego zjawiska jest użycie przykładu z konwencjonalnym przekaźnikiem. Niech napięcie robocze cewki, na przykład 12 V, to z nim przekaźnik będzie działał. Jeśli następnie stopniowo zmniejszaj napięcie zasilania cewki, przekaźnik zwolni na przykład przy napięciu 7 V. Ta różnica aż 5 V dla tego przekaźnika jest histerezą. Ponowne włączenie przekaźnika, jeśli napięcie pozostanie na poziomie 7 V, nie nastąpi. Aby to zrobić, ponownie podnieś napięcie do 12V. A potem ...

To samo obserwuje się w przypadku komparatorów. Załóżmy, że napięcie wejściowe rośnie płynnie w stosunku do napięcia odniesienia (podawane są sygnały, jak pokazano w lewej części rysunku 2). Gdy tylko napięcie wejściowe stanie się wyższe niż napięcie odniesienia (nie mniej niż wartość progowa czułości), na wyjściu komparatora pojawi się jednostka logiczna.

Jeśli napięcie wejściowe zacznie teraz spadać płynnie, wówczas przejście od jednostki logicznej do logicznego zera nastąpi, gdy napięcie wejściowe jest nieco niższe niż napięcie odniesienia. Różnica napięć wejściowych przy tych „powyżej odniesienia” i „poniżej odniesienia” nazywa się histerezą komparatora. Histereza komparatora wynika z obecności w nim dodatniego sprzężenia zwrotnego, które ma za zadanie tłumić „odbijanie” sygnału wyjściowego podczas przełączania komparatora.

Jaki jest komparator?

Schemat obwodu na poziomie tranzystora jest dość złożony, duży, niezbyt jasny, ale praktycznie nie potrzebny. Są to cechy konstrukcyjne układów scalonych, wydaje się, że tranzystory wystają wszędzie, nawet tam, gdzie nie są potrzebne. Dlatego lepiej jest rozważyć uproszczony schemat funkcjonalny komparatora, który pokazano na rycinie 3.

Rysunek 3. Uproszczony schemat funkcjonalny komparatora

Schemat pokazuje wejściowy stopień różnicowy (DC), logikę wyjściową i obwód przesunięcia poziomu.

Wejściowy prąd stały realizuje główne wzmocnienie sygnału różnicowego, a także za pomocą urządzenia polaryzacji pozwala przeprowadzić preferowany stan na wyjściu, co pozwala wybrać rodzaj logiki (TTL, ESL, CMOS), z którym musisz pracować.To ustawienie odbywa się za pomocą rezystora przycinającego podłączonego do zacisków „równoważących”.

Bramkowanie i komparatory pamięci

Niektóre współczesne komparatory mają wejście bramkowe: porównanie sygnałów wejściowych następuje tylko w momencie dostarczenia odpowiedniego impulsu. Pozwala to na porównanie sygnałów wejściowych w tym momencie, kiedy jest to wymagane. No cóż, cokolwiek chcesz! Uproszczony schemat blokowy komparatora z bramkowaniem pokazano na rycinie 4.

Rysunek 4. Uproszczony schemat blokowy komparatora

Komparatory pokazane na tym rysunku mają wyjście parafazowe, podobnie jak wyzwalacz, górne wyjście jest bezpośrednie, a dolne, oznaczone kółkiem, jest naturalnie odwrotne. Dodatkowo pokazana jest również bramka C.

Na ryc. 4a sygnały wejściowe są bramkowane na wysokim poziomie na wejściu C. Podczas bramkowania na niskim poziomie oznaczenie graficzne na wejściu C powinno mieć małe kółko (znak inwersji).

Na ryc. 4b wejście C bramki ma myślnik /, który wskazuje, że bramkowanie występuje na zboczu narastającym impulsu. W przypadku bramowania na opadającym froncie, myślnik ma ten kierunek.

Zatem sygnał bramkujący jest niczym innym jak rozdzielczością porównania. Wynik porównania może pojawić się na wyjściu tylko podczas działania impulsu bramkowego. Ale niektóre modele komparatorów mają pamięć (wystarczy do tego tylko jeden wyzwalacz) i zapamiętują wynik porównania, aż nadejdzie następny impuls bramkujący.

Czas trwania impulsu stroboskopowego (jego zbocza) musi być wystarczający do przejścia sygnału wejściowego przez prąd stały, zanim komórka pamięci zdąży się uruchomić. Zastosowanie bramkowania zwiększa odporność komparatora na szum, ponieważ interferencja może zmienić stan komparatora tylko w krótkim impulsie bramkującym. Często komparator nazywa się jednobitowym ADC.

Klasyfikacja komparatorów

Przez kombinację parametrów komparatory można podzielić na trzy duże grupy. Są to komparatory ogólnego przeznaczenia, duża prędkość i precyzja. W praktyce amatorskiej najczęściej stosuje się te pierwsze.

Nie mając nadprzyrodzonych parametrów prędkości i wzmocnienia, obecność bramkowania i pamięci, komparatory o szerokim zastosowaniu mają swoje własne atrakcyjne właściwości i cechy. Mają niski pobór mocy, zdolność do pracy przy niskim napięciu oraz fakt, że w jednej obudowie można umieścić maksymalnie cztery komparatory. Taka „rodzina” pozwala w niektórych przypadkach tworzyć bardzo przydatne urządzenia. Jedno z tych urządzeń pokazano na rysunku 5.

Jest to najprostszy konwerter sygnału analogowego na cyfrowy jednolity kod. Taki kod można przekształcić na binarny za pomocą konwersji cyfrowej.

Rysunek 5. Schemat konwersji sygnału analogowego na cyfrowy jednolity kod

Obwód zawiera cztery komparatory K1 ... K4. Napięcie odniesienia jest przykładane na wejścia odwracające dzielnik rezystancyjny. Jeżeli rezystancja rezystorów jest taka sama, wówczas napięcie na wejściach odwracających komparatorów będzie wynosić n * Uop / 4, gdzie n jest numerem seryjnym komparatora. Napięcie wejściowe jest przykładane do nieodwracających wejść połączonych ze sobą. W wyniku porównania napięcia wejściowego z napięciem odniesienia na wyjściach komparatorów otrzymujemy jednolity cyfrowy kod napięcia wejściowego.

Bardziej szczegółowo rozważymy parametry komparatorów ogólnego zastosowania na przykładzie szeroko rozpowszechnionego i dość przystępnego komparatora LM311.

Komparatory serii LM311

Napięcia zasilania i warunki pracy

Jak napisano w karcie danych, te komparatory mają prądy wejściowe tysiąc razy mniejsze niż komparatory serii LM106 lub LM170. Ponadto komparatory serii LM311 mają szerszy zakres napięć zasilania: od bipolarnych ± 15 V, jak we wzmacniaczach operacyjnych, do unipolarnych + 5 ... 15 V.Ten szeroki zakres mocy pozwala na zastosowanie komparatorów serii LM311 w połączeniu z wzmacniacze operacyjne, a także z różnymi seriami obwodów logicznych: TTL, CMOS, DTL i inne.

Ponadto komparatory LM311 mogą bezpośrednio kontrolować lampy i uzwojenia przekaźnika przy napięciu roboczym do 50 V i prądzie nieprzekraczającym 50 mA. Oprócz LM311 istnieją również komparatory LM111 i LM211. Te mikroukłady różnią się warunkami pracy, głównie temperaturą. Zakres roboczy LM311 wynosi 0 ° C ... + 70 ° C (zakres handlowy) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (przemysłowy), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (akceptacja wojskowa).

Pełne krajowe analogi komparatora LM311 to 521CA3, 554CA3 i niektóre inne. Podczas wymiany nie trzeba zmieniać obwodu, a nawet nie trzeba przerabiać płytki drukowanej. Należy tylko zwrócić uwagę na fakt, że komparatory, podobnie jak inne mikroukłady, są dostępne w różnych przypadkach, dlatego przy ich zakupie należy zwrócić szczególną uwagę na to, szczególnie jeśli ten zakup zostanie wykorzystany do naprawy gotowego urządzenia.

Rysunek 7 pokazuje wyprowadzenie (wyprowadzenie) komparatora LM311, wykonane w różnych przypadkach.

Rysunek 6. Komparator LM311

Ryc. 7. Pinout (pinout) komparatora LM311, wykonany w różnych przypadkach.

Właściwie o komparatorach można napisać znacznie więcej. Z ich pomocą możesz to zrobić przekaźnik zdjęć, przekaźnik termiczny, wskaźnik pola elektrycznego, przekaźnik pojemnościowy i wiele innych przydatnych urządzeń.

Kilka interesujących i przydatnych obwodów można znaleźć w „arkuszu danych” komparatora LM311, gdzie podano je jako typowe obwody przełączające. W tej formie komparatory są używane dość często. Oto tylko opisy typowych schematów podane w „typowym” języku angielskim. Ale nawet nie znając języka obcego, możesz go zrozumieć, przynajmniej przy pomocy internetowego tłumacza Google.

Kontynuacja artykułu: Niektóre proste obwody komparatora

Boris Aladyshkin