categorie: Articoli in vetrina » Elettronica pratica
Numero di visite: 95831
Commenti sull'articolo: 3
Comparatori analogici
nome comparatori è venuto dal latino compare - compare. Dispositivi in cui la misurazione viene eseguita confrontando con un lavoro standard su questo principio. Ad esempio, bilance a braccio uguale o potenziometri elettrici.
Il principio di azione distingue tra comparatori elettrici, pneumatici, ottici e persino meccanici. Questi ultimi vengono utilizzati per controllare le misure di lunghezza finale. Per la prima volta, un comparatore per la verifica delle misure finali fu applicato a Parigi da Lenoir nel 1792, in quanto esiste un articolo nell'enciclopedia di Brockhaus ed Efron.
Questo comparatore meccanico è stato utilizzato per verificare lo standard di 1m nella formazione del sistema metrico francese. La precisione di misurazione di un simile comparatore utilizzando un sistema di leve mobili ha raggiunto 0.0005 mm. Per quel tempo era molto preciso. Ma in questo articolo non prenderemo in considerazione in dettaglio meccanici e altri comparatori, poiché il nostro compito è quello di comparatori di tensione.
Comparatori integrati. Principio di azione e varietà
Attualmente, i comparatori sono utilizzati principalmente nella progettazione integrata. Poche persone penserebbero di assemblare un comparatore da transistor discreti. Inoltre, i comparatori sono utilizzati come parte di alcuni circuiti.
Per esempio timer integrato NE555 contiene fino a due comparatori agli ingressi, che, di fatto, ottiene tutto il fascino del suo lavoro. Inoltre, molti microcontrollori moderni hanno anche comparatori integrati. Ma, indipendentemente dall'esecuzione, i principi dei comparatori sono esattamente gli stessi.
I moderni comparatori nello schema sono molto simili agli opamp. In realtà, questo è lo stesso amplificatore operazionale, solo senza feedback e con un guadagno molto elevato. Il comparatore ha anche due ingressi, diretto e inverso (contrassegnato da un cerchio o un segno meno).
La funzione principale del comparatore è quella di confrontare due tensioni, una delle quali è esemplare o di riferimento, e l'altra viene effettivamente misurata. Il segnale di uscita del comparatore può assumere solo due valori: uno zero logico e un'unità logica, ma non può essere modificato in modo lineare, come un amplificatore operazionale.
All'uscita dei comparatori, di regola, c'è un'uscita transistor con open collector ed emettitore. Pertanto, può essere collegato secondo un circuito con un OE o un seguace di emettitore, a seconda delle esigenze di un particolare circuito, come mostrato nella Figura 1.
La Figura 1a mostra l'inclusione di un transistor di uscita in un circuito con un emettitore comune. In questo caso, TTL e CMOS - la logica con una tensione di alimentazione di + 5 V può essere collegata all'uscita della cascata. Se la logica CMOS è alimentata da una tensione di 15 V, l'uscita superiore della resistenza da 1Kohm secondo lo schema deve essere collegata al bus di alimentazione + 15V.
Quando il transistor di uscita è collegato secondo il circuito follower dell'emettitore, come mostrato nella Figura 1b, la tensione all'uscita del comparatore varierà tra + 15V ... -15V. Tuttavia, con questa inclusione, la velocità del comparatore diminuisce in modo significativo e, inoltre, gli input vengono "scambiati", - gli input vengono invertiti.
Figura 1
Come controllare il comparatore, vivo o non vivo?
Se un LED viene saldato in sequenza con un resistore R nel circuito mostrato in Figura 1a collegando l'anodo a un'alimentazione di + 5 V e la tensione viene applicata agli ingressi mediante resistori, la modifica di queste tensioni utilizzando almeno resistori variabili può far lampeggiare il LED. In quale sequenza applicare la tensione di riferimento e di ingresso è possibile trovare ulteriormente. Lascia che un tale schema di prova sia un piccolo compito pratico.
La logica del comparatore
Lo schema funzionale del comparatore è mostrato nella Figura 2.
Figura 2. Schema funzionale del comparatore
Con così tanti ingressi e segnali di ingresso, sono possibili due opzioni. Nel primo caso, mostrato sul lato sinistro della figura, la tensione di riferimento viene applicata all'ingresso invertente e la tensione in ingresso a quella non invertente. Se la tensione di ingresso supera la tensione di riferimento, all'uscita del comparatore comparirà un livello elevato (log. 1). Altrimenti, avremo uno zero logico.
Nella seconda versione, mostrata sul lato destro della figura, la tensione di riferimento viene applicata all'ingresso diretto e la tensione di ingresso a quella invertita. In questo caso, se la tensione di ingresso è maggiore della tensione di riferimento all'uscita del comparatore, zero logico, altrimenti unità. Nella figura 2, tutte queste conclusioni sono mostrate sotto forma di formule matematiche.
Ma qui un lettore attento può avere una domanda equa: “Guarda la Figura 1, quanti punti vendita ci sono! Quindi di quale stanno parlando, che tipo di zero c'è, e dov'è l'unità qui? ” In questo caso, stiamo parlando della base del transistor di uscita, si ritiene che questa sia l'uscita dell'amplificatore operazionale, a cui vengono forniti i segnali di ingresso. E il transistor di uscita, come indicato nei commenti alla Figura 1, può essere attivato in qualsiasi modo.
Alcune caratteristiche dei comparatori analogici
Quando si usano i comparatori, è necessario tener conto delle loro caratteristiche, che possono essere divise in statiche e dinamiche. I parametri statici del comparatore sono quelli determinati in stato stazionario.
Innanzitutto, questa è la sensibilità di soglia del comparatore. È definita come la differenza minima dei segnali di ingresso in corrispondenza dei quali appare un segnale logico in uscita.
Oltre all'ingresso e all'uscita, molti comparatori dispongono di uscite per l'alimentazione della tensione di polarizzazione Ucm. Usando questa tensione, viene effettuato lo spostamento necessario della caratteristica di trasferimento rispetto alla posizione ideale.
Uno dei parametri principali del comparatore è l'isteresi. Il modo più semplice per spiegare questo fenomeno è usare l'esempio con un relè convenzionale. Lascia che sia la tensione di funzionamento della bobina, ad esempio 12V, quindi è con esso che il relè funzionerà. Se in seguito, ridurre gradualmente la tensione di alimentazione della bobina, il relè si disinserirà, ad esempio, a una tensione di 7 V. Questa differenza fino a 5 V per questo relè è l'isteresi. Ma il reinserimento del relè, se la tensione rimane a 7 V, non accadrà. Per fare ciò, aumentare nuovamente la tensione a 12V. E poi ...
Lo stesso si osserva con i comparatori. Supponiamo che la tensione di ingresso aumenti uniformemente rispetto alla tensione di riferimento (i segnali vengono applicati, come mostrato nella parte sinistra della Figura 2). Non appena la tensione di ingresso diventa superiore alla tensione di riferimento (non inferiore al valore di sensibilità di soglia), all'uscita del comparatore comparirà un'unità logica.
Se ora la tensione di ingresso inizia a diminuire senza intoppi, si verificherà la transizione da un'unità logica a uno zero logico quando la tensione di ingresso è leggermente inferiore alla tensione di riferimento. La differenza nelle tensioni di ingresso in questi "sopra il riferimento" e "sotto il riferimento" è chiamata isteresi del comparatore. L'isteresi del comparatore è dovuta alla presenza di un feedback positivo in esso, progettato per sopprimere il "rimbalzo" del segnale di uscita quando si cambia il comparatore.
Come è il comparatore
Lo schema circuitale a livello di transistor è piuttosto complesso, grande, non molto chiaro, ma praticamente non necessario. Queste sono le caratteristiche di progettazione dei circuiti integrati, sembra che i transistor sporgano ovunque, anche dove non sono necessari. Pertanto, è meglio considerare un diagramma funzionale semplificato del comparatore, mostrato nella Figura 3.
Figura 3. Schema funzionale semplificato del comparatore
Il diagramma mostra lo stadio differenziale di ingresso (CC), la logica di uscita e il circuito di spostamento di livello.
L'ingresso DC esegue l'amplificazione principale del segnale di differenza e, con l'aiuto di un dispositivo di polarizzazione, consente di eseguire lo stato preferito in uscita, che consente di scegliere il tipo di logica (TTL, ESL, CMOS) con cui si lavorerà.Questa impostazione viene eseguita utilizzando una resistenza di taglio collegata ai "bilanciamento" dei terminali.
Comparatori di porte e memorie
Alcuni moderni comparatori hanno un input di gate: il confronto dei segnali di input avviene solo al momento della fornitura dell'impulso corrispondente. Ciò consente di confrontare i segnali di ingresso in quel momento nel momento in cui è richiesto. Bene, giusto, qualunque cosa tu voglia! Uno schema a blocchi semplificato di un comparatore con gate è mostrato in Figura 4.
Figura 4. Schema a blocchi semplificato di un comparatore
I comparatori mostrati in questa figura hanno un'uscita in parafase, come un trigger, l'uscita superiore è diretta e quella inferiore, contrassegnata da un cerchio, è naturalmente inversa. Inoltre, qui è mostrato anche il cancello C.
Nella Figura 4a, il gate dei segnali di input viene eseguito ad un livello alto all'ingresso C. Quando il gate a un livello basso, la designazione grafica sull'ingresso C dovrebbe avere un piccolo cerchio (segno di inversione).
In Fig. 4b, l'ingresso di gate C ha un trattino /, che indica che il gate si verifica sul fronte di salita dell'impulso. Nel caso di gate su un fronte che cade, il trattino ha questa direzione.
Pertanto, il segnale di gate non è altro che la risoluzione del confronto. Il risultato del confronto può apparire all'uscita solo durante l'azione dell'impulso di gate. Ma alcuni modelli di comparatore dispongono di memoria (è sufficiente un solo trigger per questo) e ricordano il risultato del confronto fino all'arrivo del successivo impulso di gate.
La durata dell'impulso strobo (il suo bordo) deve essere sufficiente affinché il segnale di ingresso passi attraverso la CC prima che la cella di memoria abbia il tempo di innescarsi. L'uso del gating aumenta l'immunità al rumore del comparatore, poiché le interferenze possono modificare lo stato del comparatore solo in un breve impulso di gating. Spesso, il comparatore viene chiamato ADC a bit singolo.
Classificazione dei comparatori
Tramite una combinazione di parametri, i comparatori possono essere divisi in tre grandi gruppi. Si tratta di comparatori per scopi generici, alta velocità e precisione. Nella pratica amatoriale, i primi sono usati più spesso.
Non avendo parametri soprannaturali per la velocità e il guadagno, la presenza di gate e memoria, i comparatori di ampia applicazione hanno le loro proprietà e caratteristiche interessanti. Hanno un basso consumo energetico, la capacità di lavorare a bassa tensione e il fatto che in un caso possono essere posizionati fino a quattro comparatori. Tale "famiglia" consente in alcuni casi di creare dispositivi molto utili. Uno di questi dispositivi è mostrato nella Figura 5.
Questo è il convertitore più semplice di un segnale analogico in un codice unitario digitale. Tale codice può essere convertito in binario mediante la conversione digitale.
Figura 5. Schema di conversione di un segnale analogico in un codice unitario digitale
Il circuito contiene quattro comparatori K1 ... K4. La tensione di riferimento viene applicata agli ingressi invertiti attraverso divisore resistivo. Se la resistenza dei resistori è la stessa, la tensione sugli ingressi di inversione dei comparatori è n * Uop / 4, dove n è il numero seriale del comparatore. La tensione di ingresso viene applicata agli ingressi non invertenti collegati insieme. Come risultato del confronto della tensione di ingresso con la tensione di riferimento sulle uscite dei comparatori, otteniamo un codice digitale unitario della tensione di ingresso.
Più in dettaglio, considereremo i parametri dei comparatori per scopi generici usando l'esempio del comparatore diffuso e abbastanza abbordabile LM311.
Comparatori serie LM311
Tensioni di alimentazione e condizioni di lavoro
Come scritto nella scheda tecnica, questi comparatori hanno correnti di input mille volte inferiori a comparatori delle serie LM106 o LM170. Inoltre, i comparatori della serie LM311 hanno una gamma più ampia di tensioni di alimentazione: da bipolare ± 15 V, come negli amplificatori operazionali, a unipolare + 5 ... 15 V.Questa vasta gamma di potenze consente l'uso dei comparatori della serie LM311 insieme a amplificatori operazionali, nonché con varie serie di circuiti logici: TTL, CMOS, DTL e altri.
Inoltre, i comparatori LM311 possono controllare direttamente lampade e avvolgimenti di relè con tensioni di funzionamento fino a 50 V e correnti non superiori a 50 mA. Oltre a LM311, ci sono anche comparatori LM111 e LM211. Questi microcircuiti si differenziano per le condizioni operative, principalmente per la temperatura. L'intervallo operativo dell'LM311 è 0 ° C ... + 70 ° C (intervallo commerciale) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industriale), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (accettazione militare).
Gli analoghi domestici completi del comparatore LM311 sono 521CA3, 554CA3 e alcuni altri. Durante la sostituzione, non è necessario cambiare il circuito e non è nemmeno necessario ripetere il circuito. Dovresti solo prestare attenzione al fatto che comparatori, come altri microcircuiti, sono disponibili in diversi casi, quindi quando li acquisti dovresti prestare la massima attenzione a questo, specialmente se questo acquisto verrà utilizzato per riparare il dispositivo finito.
La Figura 7 mostra il pinout (pinout) del comparatore LM311, realizzato in vari casi.
Figura 6. Comparatore LM311
Figura 7. Pinout (pinout) del comparatore LM311, realizzato in vari casi.
In realtà, molto di più può essere scritto sui comparatori. Con il loro aiuto puoi fare relè fotografico, relè termico, indicatore di campo elettrico, relè capacitivo e molti altri dispositivi utili.
Diversi "circuiti interessanti e utili" si trovano nel "foglio dati" del comparatore LM311, dove sono indicati come circuiti di commutazione tipici. È in questa forma che i comparatori sono usati abbastanza spesso. Qui ci sono solo descrizioni di schemi tipici dati in "tipico", inglese. Ma anche senza conoscere una lingua straniera, puoi capirlo, almeno con l'aiuto di un traduttore online Google.
Articolo continuato: Alcuni semplici circuiti di comparazione
Boris Aladyshkin
Vedi anche su electro-it.tomathouse.com
: