ตัวเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก

ชื่อ comparators มาจากละตินเปรียบเทียบ - เปรียบเทียบ อุปกรณ์ที่ใช้ทำการวัดโดยเปรียบเทียบกับงานมาตรฐานในหลักการนี้ ตัวอย่างเช่นเครื่องชั่งน้ำหนักเท่ากันหรือโพเทนชิโอมิเตอร์ไฟฟ้า

หลักการของการกระทำที่แตกต่างระหว่างเปรียบเทียบไฟฟ้านิวเมติกแสงและแม้กระทั่งเครื่องจักรกล ส่วนหลังใช้สำหรับตรวจสอบการวัดความยาวสิ้นสุด เป็นครั้งแรกที่มีการเปรียบเทียบการตรวจสอบการใช้มาตรการสิ้นสุดในปารีสโดย Lenoir ในปี ค.ศ. 1792 เนื่องจากมีบทความในสารานุกรมของ Brockhaus และ Efron

เครื่องเปรียบเทียบเชิงกลนี้ถูกใช้เพื่อตรวจสอบมาตรฐาน 1 ม. ในการก่อตัวของระบบเมตริกของฝรั่งเศส ความแม่นยำในการวัดของตัวเปรียบเทียบดังกล่าวโดยใช้ระบบคันโยกที่เคลื่อนย้ายได้ถึง 0.0005 มม. สำหรับครั้งนั้นมันแม่นยำมาก แต่ในบทความนี้เราจะไม่พิจารณารายละเอียดเชิงกลและเครื่องมือเปรียบเทียบอื่น ๆ เนื่องจากงานของเราคือ ตัวเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า.

เครื่องมือเปรียบเทียบแบบบูรณาการ หลักการของการกระทำและความหลากหลาย

ปัจจุบันการเปรียบเทียบส่วนใหญ่จะใช้ในการออกแบบแบบบูรณาการ มีคนไม่กี่คนที่คิดจะประกอบตัวเปรียบเทียบจากทรานซิสเตอร์แยก ยิ่งไปกว่านั้นจะใช้ตัวเปรียบเทียบเป็นส่วนหนึ่งของวงจร

ตัวอย่างเช่น แบบบูรณาการจับเวลา NE555 มีตัวเปรียบเทียบสองตัวที่อินพุตซึ่งจริงๆแล้วเป็นเสน่ห์ของงานของเขา นอกจากนี้หลาย ๆ ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ทันสมัย นอกจากนี้ยังมีตัวเปรียบเทียบในตัว แต่ไม่ว่าจะดำเนินการอย่างไรหลักการของตัวเปรียบเทียบก็เหมือนกันทุกประการ

ตัวเปรียบเทียบสมัยใหม่ในโครงการคล้ายกับ opamps ในความเป็นจริงมันเป็นแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานเดียวกันโดยไม่มีข้อเสนอแนะและได้รับสูงมาก เครื่องมือเปรียบเทียบมีสองอินพุตโดยตรงและกลับกัน (ทำเครื่องหมายด้วยวงกลมหรือเครื่องหมายลบ)

ฟังก์ชั่นหลักของตัวเปรียบเทียบคือการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าสองตัวซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นแบบอย่างหรืออ้างอิงและอีกอันหนึ่งก็วัดจริง สัญญาณเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบสามารถรับได้สองค่าเท่านั้น: ศูนย์โลจิคัลและหน่วยโลจิคัล แต่ไม่สามารถเปลี่ยนแบบเชิงเส้นได้เช่นแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน

ที่เอาต์พุตของ comparators ตามกฎจะมีเอาต์พุต ทรานซิสเตอร์ พร้อมตัวรวบรวมแบบเปิดและตัวปล่อย ดังนั้นจึงสามารถเชื่อมต่อได้ตามวงจรที่มี OE หรือผู้ติดตาม emitter ขึ้นอยู่กับความต้องการของวงจรเฉพาะดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1a แสดงการรวมเอาท์พุททรานซิสเตอร์ในวงจรที่มีอิมิตเตอร์ทั่วไป ในกรณีนี้ TTL และ CMOS - ลอจิกที่มีแรงดัน + 5V สามารถเชื่อมต่อกับเอาท์พุทของน้ำตก หาก CMOS - ลอจิกขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้า 15V ดังนั้นเอาต์พุตสูงสุดของตัวต้านทาน1KΩตามรูปแบบควรเชื่อมต่อกับ +15V บัสบัส

เมื่อทรานซิสเตอร์เอาท์พุทเชื่อมต่อตามวงจรตัวติดตามอีซีแอลดังที่แสดงในรูปที่ 1b แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะเปลี่ยนแปลงภายใน +15V ... -15V อย่างไรก็ตามด้วยการรวมนี้ความเร็วของตัวเปรียบเทียบจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญและนอกจากนี้อินพุตจะถูก "สลับ" ในสถานที่ - อินพุตจะกลับด้าน

รูปที่ 1

วิธีการตรวจสอบเปรียบเทียบมีชีวิตอยู่หรือไม่มีชีวิตอยู่?

หาก LED ถูกบัดกรีตามลำดับด้วยตัวต้านทาน R ในวงจรที่แสดงในรูปที่ 1a โดยการเชื่อมต่อขั้วบวกกับแหล่งจ่ายไฟ + 5V และแรงดันไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้กับอินพุตโดยใช้ตัวต้านทานดังนั้นการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้โดยใช้ตัวต้านทานตัวแปรน้อยที่สุด ในลำดับใดที่จะใช้การอ้างอิงและแรงดันไฟฟ้าอินพุตสามารถพบได้เพิ่มเติม ปล่อยให้โครงการทดสอบแบบนี้เป็นงานเล็ก ๆ

ตรรกะของตัวเปรียบเทียบ

แผนภาพการทำงานของเครื่องมือเปรียบเทียบแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แผนภาพการทำงานของเครื่องมือเปรียบเทียบ

ด้วยอินพุตและสัญญาณอินพุตจำนวนมากจึงมีสองทางเลือก ในกรณีแรกที่แสดงทางด้านซ้ายของภาพแรงดันอ้างอิงจะถูกนำไปใช้กับอินเวอร์เตอร์อินพุทและแรงดันไฟฟ้าอินพุทกับอินเวอร์เตอร์ที่ไม่กลับด้าน หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงกว่าแรงดันอ้างอิงระดับสูงจะปรากฏขึ้นที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบ (บันทึก 1) มิฉะนั้นเราจะมีศูนย์ตรรกะ

ในรุ่นที่สองที่แสดงทางด้านขวาของภาพจะใช้แรงดันไฟฟ้าอ้างอิงกับอินพุตโดยตรงและแรงดันไฟฟ้าเข้ากับอินเวอร์เตอร์หนึ่ง ในกรณีนี้ถ้าแรงดันไฟฟ้าอินพุตมากกว่าแรงดันอ้างอิงที่เอาท์พุทของตัวเปรียบเทียบตรรกะศูนย์มิฉะนั้นความสามัคคี ในรูปที่ 2 ข้อสรุปทั้งหมดเหล่านี้จะแสดงในรูปแบบของสูตรทางคณิตศาสตร์

แต่ที่นี่ผู้อ่านที่สนใจอาจมีคำถามที่ยุติธรรม:“ ดูรูปที่ 1 มีร้านค้ากี่ร้าน! แล้วอันไหนที่พวกเขาพูดถึง, มันมีศูนย์แบบไหน, และยูนิตนี้อยู่ที่ไหน?” ในกรณีนี้เรากำลังพูดถึงฐานของเอาท์พุททรานซิสเตอร์เชื่อว่านี่คือเอาท์พุทของแอมพลิฟายเออร์แอมพลิฟายเออร์ที่ให้สัญญาณอินพุต และทรานซิสเตอร์เอาท์พุทตามที่แสดงในความคิดเห็นในรูปที่ 1 สามารถเปิดใช้งานได้ไม่ว่าด้วยวิธีใด

คุณสมบัติบางประการของเครื่องมือเปรียบเทียบแบบอะนาล็อก

เมื่อใช้เครื่องมือเปรียบเทียบคุณสมบัติของพวกเขาจะต้องนำมาพิจารณาซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นแบบคงที่และแบบไดนามิก พารามิเตอร์แบบคงที่ของตัวเปรียบเทียบคือพารามิเตอร์ที่ถูกกำหนดในสถานะคงที่

ก่อนอื่นนี่คือความไวของเกณฑ์ของตัวเปรียบเทียบ มันถูกกำหนดให้เป็นความแตกต่างขั้นต่ำของสัญญาณอินพุตที่สัญญาณตรรกะปรากฏขึ้นที่เอาต์พุต

นอกจากอินพุตและเอาต์พุตตัวเปรียบเทียบหลายตัวมีเอาต์พุตสำหรับการจ่ายแรงดันไบแอส Ucm การใช้แรงดันไฟฟ้านี้จะทำการเปลี่ยนลักษณะการถ่ายโอนที่สัมพันธ์กับตำแหน่งในอุดมคติ

หนึ่งในพารามิเตอร์หลักของตัวเปรียบเทียบคือการ hysteresis วิธีที่ง่ายที่สุดในการอธิบายปรากฏการณ์นี้คือการใช้ตัวอย่างกับรีเลย์ธรรมดา ปล่อยให้แรงดันไฟฟ้าของขดลวดยกตัวอย่างเช่น 12V จากนั้นมันจะทำงานพร้อมกับรีเลย์ หากหลังจากนั้นค่อยลดแรงดันของขดลวดจากนั้นรีเลย์จะปล่อยตัวอย่างเช่นที่แรงดัน 7V ความแตกต่างนี้มากถึง 5V สำหรับรีเลย์นี้คือฮิสเทรีซีส แต่รีเลย์จะไม่เปิดอีกครั้งหากแรงดันไฟฟ้ายังคงอยู่ที่ระดับ 7V มันจะไม่เกิดขึ้น เมื่อต้องการทำเช่นนี้ให้เพิ่มแรงดันอีกครั้งเป็น 12V แล้ว ...

เช่นเดียวกันกับการเปรียบเทียบ สมมติว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเพิ่มขึ้นอย่างราบรื่นเมื่อเทียบกับแรงดันอ้างอิง (สัญญาณถูกนำมาใช้ดังแสดงในส่วนด้านซ้ายของรูปที่ 2) ทันทีที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงกว่าแรงดันอ้างอิง (ไม่น้อยกว่าค่าความไวตามเกณฑ์) หน่วยโลจิคัลจะปรากฏที่เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบ

หากแรงดันอินพุตเริ่มลดลงอย่างราบรื่นการเปลี่ยนจากหน่วยโลจิคัลเป็นศูนย์โลจิคัลจะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันอินพุตต่ำกว่าแรงดันอ้างอิงเล็กน้อย ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ "เหนือการอ้างอิง" และ "ต่ำกว่าการอ้างอิง" เหล่านี้เรียกว่าฮิสเทรีซีสของตัวเปรียบเทียบ ฮิสเทรีซิสของตัวเปรียบเทียบนั้นเกิดจากการตอบรับเชิงบวกในตัวซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อยับยั้ง "เด้ง" ของสัญญาณเอาท์พุทเมื่อทำการสลับตัวเปรียบเทียบ

ผู้เปรียบเทียบเป็นอย่างไร

แผนภาพวงจรที่ระดับทรานซิสเตอร์ค่อนข้างซับซ้อนมีขนาดใหญ่ไม่ชัดเจนมาก แต่ไม่จำเป็นต้องใช้ในทางปฏิบัติ เหล่านี้เป็นคุณสมบัติการออกแบบของวงจรรวมดูเหมือนว่าทรานซิสเตอร์จะยื่นออกไปทุกที่แม้ในกรณีที่ไม่จำเป็น ดังนั้นจึงเป็นการดีกว่าที่จะพิจารณาไดอะแกรมการทำงานที่ง่ายขึ้นของตัวเปรียบเทียบซึ่งแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนภาพการทำงานแบบย่อของเครื่องมือเปรียบเทียบ

แผนภาพแสดงขั้นตอนการดิฟเฟอเรนเชียลอินพุต (DC) ตรรกะเอาต์พุตและวงจรการเลื่อนระดับ

อินพุต DC ทำหน้าที่ขยายสัญญาณหลักของสัญญาณที่แตกต่างและด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์ไบอัสที่ช่วยให้สามารถทำงานในสถานะที่ต้องการได้ที่เอาต์พุตซึ่งช่วยให้คุณสามารถเลือกประเภทของตรรกะ (TTL, ESL, CMOS) ที่คุณต้องทำงานด้วยการตั้งค่านี้ดำเนินการโดยใช้ตัวต้านทานการตัดแต่งที่เชื่อมต่อกับเทอร์มินัล "สมดุล"

Gating และเปรียบเทียบหน่วยความจำ

ตัวเปรียบเทียบที่ทันสมัยบางตัวมีอินพุต gating: สัญญาณอินพุตจะถูกเปรียบเทียบในขณะที่ส่งพัลส์ที่สอดคล้องกันเท่านั้น สิ่งนี้ช่วยให้คุณสามารถเปรียบเทียบสัญญาณอินพุตในช่วงเวลานั้นเมื่อจำเป็น อะไรก็ได้ที่คุณชอบ! บล็อกไดอะแกรมแบบง่ายของตัวเปรียบเทียบกับ gating แสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 บล็อกไดอะแกรมแบบย่อของตัวเปรียบเทียบ

ตัวเปรียบเทียบที่แสดงในรูปนี้มีเอาต์พุตแบบ paraphase เช่นทริกเกอร์เอาต์พุตบนเป็นแบบตรงและส่วนล่างที่มีวงกลมกำกับอยู่นั้นจะตรงกันข้าม นอกจากนี้เกต C ยังแสดงที่นี่

ในรูปที่ 4a สัญญาณอินพุตจะถูก gated ที่ระดับสูงที่อินพุต C เมื่อ gating ที่ระดับต่ำการกำหนดกราฟิกที่อินพุต C ควรมีวงกลมเล็ก ๆ (เครื่องหมายผกผัน)

ในรูปที่ 4b สัญญาณเข้าของประตู C มีเส้นประ / ซึ่งบ่งชี้ว่าการเกิดประตูเกิดขึ้นตามขอบของชีพจรที่เพิ่มขึ้น ในกรณีของการ gating บนหน้าตกเส้นประมีทิศทางนี้

ดังนั้นสัญญาณ gating นั้นไม่มีอะไรนอกจากความละเอียดของการเปรียบเทียบ ผลลัพธ์ของการเปรียบเทียบสามารถปรากฏที่เอาท์พุทระหว่างการกระทำของพัลส์เกตเท่านั้น แต่บางรุ่นเปรียบเทียบมีหน่วยความจำ (เพียงหนึ่งไกก็เพียงพอแล้ว) และจดจำผลลัพธ์การเปรียบเทียบจนกระทั่งชีพจร gating ถัดไปมาถึง

ระยะเวลาของการเต้นของชีพจร (ขอบ) จะต้องเพียงพอสำหรับสัญญาณอินพุตที่จะผ่าน DC ก่อนที่เซลล์หน่วยความจำจะมีเวลาที่จะทริกเกอร์ การใช้ gating จะเพิ่มภูมิคุ้มกันเสียงของตัวเปรียบเทียบเนื่องจากสัญญาณรบกวนสามารถเปลี่ยนสถานะของตัวเปรียบเทียบได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น บ่อยครั้งที่ตัวเปรียบเทียบเรียกว่า ADC แบบบิตเดียว

การจำแนกประเภทของตัวเปรียบเทียบ

โดยการรวมกันของพารามิเตอร์เปรียบเทียบสามารถแบ่งออกเป็นสามกลุ่มใหญ่ เหล่านี้เป็นตัวเปรียบเทียบวัตถุประสงค์ทั่วไปความเร็วสูงและความแม่นยำ ในการฝึกหัดมือสมัครเล่นอดีตมักใช้บ่อยที่สุด

ไม่มีพารามิเตอร์เหนือธรรมชาติใด ๆ สำหรับความเร็วและกำไรการมี gating และหน่วยความจำการเปรียบเทียบแอปพลิเคชันที่กว้างมีคุณสมบัติและคุณสมบัติที่น่าสนใจของตัวเอง พวกเขามีการใช้พลังงานต่ำความสามารถในการทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำและความจริงที่ว่าสามารถเปรียบเทียบได้ถึงสี่เปรียบเทียบในหนึ่งกรณี "ตระกูล" ดังกล่าวอนุญาตให้สร้างอุปกรณ์ที่มีประโยชน์มากในบางกรณี หนึ่งในอุปกรณ์เหล่านี้จะแสดงในรูปที่ 5

นี่คือตัวแปลงที่ง่ายที่สุดของสัญญาณอะนาล็อกเป็นรหัสรวมแบบดิจิทัล รหัสดังกล่าวสามารถแปลงเป็นไบนารี่โดยใช้การแปลงดิจิตอล

รูปที่ 5 โครงการแปลงสัญญาณอะนาล็อกเป็นรหัสรวมดิจิตอล

วงจรประกอบด้วยตัวเปรียบเทียบสี่ K1 ... K4 แรงดันอ้างอิงใช้กับอินพุตอินเวอร์เตอร์ผ่าน ตัวต้านทานแบบตัวต้านทาน. หากความต้านทานของตัวต้านทานเป็นค่าเดียวกันแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตอินเวอร์เตอร์ของตัวเปรียบเทียบจะเป็น n * Uop / 4 โดยที่ n คือหมายเลขซีเรียลของตัวเปรียบเทียบ แรงดันไฟฟ้าอินพุตถูกนำไปใช้กับอินพุตที่ไม่กลับด้านที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกัน จากการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าเข้ากับแรงดันอ้างอิงที่เอาท์พุทของเครื่องเปรียบเทียบเราได้รับรหัสดิจิตอลรวมของแรงดันไฟฟ้าอินพุต

ในรายละเอียดเพิ่มเติมเราจะพิจารณาพารามิเตอร์ของตัวเปรียบเทียบวัตถุประสงค์ทั่วไปโดยใช้ตัวอย่างของตัวเปรียบเทียบ LM311 ที่แพร่หลายและราคาไม่แพง

เครื่องมือเปรียบเทียบ LM311 ระดับ

จัดหาแรงดันไฟฟ้าและสภาพการทำงาน

ตามที่เขียนไว้ในแผ่นข้อมูลผู้เปรียบเทียบเหล่านี้มีกระแสเข้าน้อยกว่าพันเท่า เครื่องมือเปรียบเทียบรุ่น LM106 หรือ LM170. นอกจากนี้ตัวเปรียบเทียบซีรีย์ LM311 มีช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กว้างขึ้นตั้งแต่ไบโพลาร์± 15V ในแอมพลิฟายเออร์เพื่อการดำเนินงานไปจนถึง unipolar + 5 ... 15Vช่วงกำลังที่กว้างนี้ช่วยให้สามารถใช้ตัวเปรียบเทียบซีรีย์ LM311 ร่วมกับ เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงานเช่นเดียวกับวงจรตรรกะแบบต่างๆ: TTL, CMOS, DTL และอื่น ๆ

นอกจากนี้ตัวเปรียบเทียบ LM311 ยังสามารถควบคุมหลอดไฟและขดลวดรีเลย์ได้โดยตรงด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึง 50V และกระแสไม่เกิน 50mA นอกจาก LM311 แล้วยังมีตัวเปรียบเทียบ LM111 และ LM211 วงจรขนาดเล็กเหล่านี้แตกต่างกันในสภาพการใช้งานส่วนใหญ่อยู่ในอุณหภูมิ ช่วงการทำงานของ LM311 คือ 0 ° C ... + 70 ° C (ย่านการค้า) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (อุตสาหกรรม), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (การยอมรับจากกองทัพ)

analogs ภายในประเทศแบบเต็มของตัวเปรียบเทียบ LM311 คือ 521CA3, 554CA3 และอื่น ๆ เมื่อเปลี่ยนคุณไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนวงจรและไม่จำเป็นต้องทำซ้ำแผงวงจร คุณควรให้ความสนใจกับความจริงที่ว่า comparators เช่น microcircuits อื่น ๆ มีให้บริการในกรณีที่แตกต่างกันดังนั้นเมื่อคุณซื้อพวกเขาคุณควรให้ความสนใจสูงสุดกับเรื่องนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากการซื้อนี้จะถูกใช้เพื่อซ่อมแซมอุปกรณ์สำเร็จรูป

รูปที่ 7 แสดง pinout (pinout) ของตัวเปรียบเทียบ LM311 ซึ่งเกิดขึ้นในหลายกรณี

รูปที่ 6 เครื่องมือเปรียบเทียบ LM311

รูปที่ 7 Pinout (pinout) ของตัวเปรียบเทียบ LM311 ทำในหลายกรณี

จริงๆแล้วสามารถเขียนเกี่ยวกับเครื่องมือเปรียบเทียบได้อีกมากมาย ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาคุณสามารถทำได้ รีเลย์ภาพรีเลย์ความร้อนตัวบ่งชี้สนามไฟฟ้ารีเลย์ capacitive และอุปกรณ์ที่มีประโยชน์อื่น ๆ อีกมากมาย

วงจรที่น่าสนใจและมีประโยชน์มากมายสามารถพบได้ใน "แผ่นข้อมูล" ของเครื่องมือเปรียบเทียบ LM311 ซึ่งจะได้รับเป็นวงจรสวิตช์ทั่วไป มันอยู่ในรูปแบบนี้ที่มีการใช้เครื่องมือเปรียบเทียบค่อนข้างบ่อย นี่เป็นเพียงรายละเอียดของรูปแบบทั่วไปที่ให้ไว้ใน "ทั่วไป" ภาษาอังกฤษ แต่ไม่แม้แต่จะรู้ภาษาต่างประเทศคุณก็สามารถเข้าใจได้อย่างน้อยด้วยความช่วยเหลือของนักแปลออนไลน์ของ Google

บทความต่อไป: วงจรเปรียบเทียบแบบเรียบง่ายบางตัว

Boris Aladyshkin