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Analoge Komparatoren

 

Analoge KomparatorenTitel Komparatoren kam aus dem Lateinischen vergleichen - vergleichen. Geräte, bei denen die Messung durch Vergleich mit einem Standard durchgeführt wird, arbeiten nach diesem Prinzip. Zum Beispiel Gleicharmwaagen oder elektrische Potentiometer.

Das Wirkprinzip unterscheidet zwischen elektrischen, pneumatischen, optischen und sogar mechanischen Komparatoren. Letztere dienen zur Überprüfung der Endlängenmaße. Zum ersten Mal wurde von Lenoir 1792 in Paris ein Komparator zur Überprüfung von Endmaßnahmen angewendet, da es einen Artikel in der Enzyklopädie von Brockhaus und Efron gibt.

Dieser mechanische Komparator wurde verwendet, um den 1-m-Standard bei der Bildung des französischen metrischen Systems zu überprüfen. Die Messgenauigkeit eines solchen Komparators unter Verwendung eines Systems beweglicher Hebel erreichte 0,0005 mm. Für diese Zeit war es sehr genau. In diesem Artikel werden wir jedoch nicht im Detail auf mechanische und andere Komparatoren eingehen, da unsere Aufgabe darin besteht, Spannungskomparatoren.


Integrierte Komparatoren. Wirkprinzip und Sorten

Derzeit werden Komparatoren hauptsächlich im integrierten Design verwendet. Nur wenige Leute würden daran denken, einen Komparator aus diskreten Transistoren zusammenzusetzen. Darüber hinaus werden Komparatoren als Teil einiger Schaltungen verwendet.

Zum Beispiel integrierter Timer NE555 enthält bis zu zwei Komparatoren an den Eingängen, was in der Tat den ganzen Charme seiner Arbeit erreicht. Darüber hinaus viele moderne Mikrocontroller haben auch eingebaute Komparatoren. Unabhängig von der Ausführung sind die Prinzipien der Komparatoren jedoch genau dieselben.

Moderne Komparatoren im Schema sind Opamps sehr ähnlich. Tatsächlich ist dies der gleiche Operationsverstärker, nur ohne Rückkopplung und mit einer sehr hohen Verstärkung. Der Komparator hat auch zwei Eingänge, direkt und invers (markiert mit einem Kreis oder einem Minuszeichen).


Die Hauptfunktion des Komparators besteht darin, zwei Spannungen zu vergleichen, von denen eine beispielhaft oder als Referenz dient und die andere tatsächlich gemessen wird. Das Ausgangssignal des Komparators kann nur zwei Werte annehmen: eine logische Null und eine logische Einheit, kann jedoch nicht wie ein Operationsverstärker linear geändert werden.

Am Ausgang der Komparatoren befindet sich in der Regel ein Ausgang Transistor mit offenem Kollektor und Emitter. Daher kann es abhängig von den Anforderungen einer bestimmten Schaltung entweder gemäß einer Schaltung mit einer OE oder einem Emitterfolger angeschlossen werden, wie in 1 gezeigt.

Fig. 1a zeigt den Einschluss eines Ausgangstransistors in eine Schaltung mit einem gemeinsamen Emitter. In diesem Fall können TTL- und CMOS-Logik mit einer Versorgungsspannung von + 5V an den Ausgang der Kaskade angeschlossen werden. Wenn die CMOS-Logik mit einer Spannung von 15 V betrieben wird, sollte der obere Ausgang des 1KΩ-Widerstands gemäß dem Schema an den + 15V-Leistungsbus angeschlossen werden.

Wenn der Ausgangstransistor gemäß der Emitterfolgerschaltung angeschlossen wird, wie in Abbildung 1b gezeigt, variiert die Spannung am Ausgang des Komparators innerhalb von + 15V ... -15V. Mit dieser Einbeziehung nimmt jedoch die Geschwindigkeit des Komparators erheblich ab, und außerdem werden die Eingänge stellenweise "vertauscht" - die Eingänge werden invertiert.

Analoge Komparatoren

Abbildung 1


Wie überprüfe ich den Komparator, ob lebendig oder nicht?

Wenn eine LED nacheinander mit einem Widerstand R in der in Abbildung 1a gezeigten Schaltung verlötet wird, indem die Anode an eine + 5-V-Stromversorgung angeschlossen wird, und die Eingänge mit Widerständen mit Spannung versorgt werden, kann das Ändern dieser Spannungen mit mindestens variablen Widerständen dazu führen, dass die LED blinkt. In welcher Reihenfolge die Referenz- und Eingangsspannung angelegt werden soll, finden Sie weiter. Ein solches Testschema sei eine kleine praktische Aufgabe.



Die Logik des Komparators

Das Funktionsdiagramm des Komparators ist in Abbildung 2 dargestellt.

Funktionsplan des Komparators

Abbildung 2. Funktionsdiagramm des Komparators

Bei so vielen Eingängen und Eingangssignalen sind zwei Optionen möglich. Im ersten Fall, der auf der linken Seite der Figur gezeigt ist, wird die Referenzspannung an den invertierenden Eingang und die Eingangsspannung an den nicht invertierenden Eingang angelegt. Wenn die Eingangsspannung die Referenzspannung überschreitet, erscheint am Ausgang des Komparators ein hoher Pegel (log. 1). Andernfalls haben wir eine logische Null.

In der zweiten Version, die auf der rechten Seite der Figur gezeigt ist, wird die Referenzspannung an den direkten Eingang und die Eingangsspannung an den invertierenden Eingang angelegt. In diesem Fall, wenn die Eingangsspannung größer als die Referenzspannung am Ausgang des Komparators ist, logische Null, andernfalls Eins. In Abbildung 2 sind alle diese Schlussfolgerungen in Form mathematischer Formeln dargestellt.

Aber hier kann ein aufmerksamer Leser eine faire Frage haben: „Sehen Sie sich Abbildung 1 an, wie viele Verkaufsstellen es gibt! Also über welche reden sie, welche Art von Null gibt es und wo ist die Einheit hier? “ In diesem Fall handelt es sich um die Basis des Ausgangstransistors. Es wird angenommen, dass dies der Ausgang des Operationsverstärkers ist, dem die Eingangssignale zugeführt werden. Und der Ausgangstransistor kann, wie in den Kommentaren zu 1 angegeben, auf irgendeine Weise eingeschaltet werden.


Einige Eigenschaften von analogen Komparatoren

Bei der Verwendung von Komparatoren müssen deren Eigenschaften berücksichtigt werden, die in statische und dynamische unterteilt werden können. Die statischen Parameter des Komparators sind diejenigen, die im stationären Zustand bestimmt werden.

Dies ist zunächst die Schwellenempfindlichkeit des Komparators. Es ist definiert als die minimale Differenz der Eingangssignale, bei der ein logisches Signal am Ausgang erscheint.

Zusätzlich zu Eingang und Ausgang haben viele Komparatoren Ausgänge zur Versorgung der Vorspannung Ucm. Mit dieser Spannung wird die notwendige Verschiebung der Übertragungscharakteristik relativ zur Idealposition durchgeführt.

Einer der Hauptparameter des Komparators ist die Hysterese. Der einfachste Weg, dieses Phänomen zu erklären, besteht darin, das Beispiel mit einem herkömmlichen Relais zu verwenden. Lassen Sie die Betriebsspannung der Spule, zum Beispiel 12V, dann wird das Relais damit arbeiten. Wenn danach die Versorgungsspannung der Spule allmählich verringert wird, löst das Relais beispielsweise bei einer Spannung von 7 V aus. Dieser Unterschied von bis zu 5 V für dieses Relais ist eine Hysterese. Das Relais schaltet sich jedoch nicht wieder ein. Wenn die Spannung auf dem 7-V-Pegel bleibt, tritt dies nicht auf. Erhöhen Sie dazu die Spannung erneut auf 12V. Und dann ...

Gleiches gilt für Komparatoren. Angenommen, die Eingangsspannung steigt relativ zur Referenzspannung gleichmäßig an (Signale werden angelegt, wie im linken Teil von Abbildung 2 gezeigt). Sobald die Eingangsspannung höher als die Referenzspannung wird (nicht weniger als der Schwellenempfindlichkeitswert), erscheint am Ausgang des Komparators eine logische Einheit.

Wenn die Eingangsspannung jetzt gleichmäßig abnimmt, erfolgt der Übergang von einer logischen Einheit zu einer logischen Null, wenn die Eingangsspannung geringfügig unter der Referenzspannung liegt. Die Differenz der Eingangsspannungen an diesen "über der Referenz" und "unter der Referenz" wird als Hysterese des Komparators bezeichnet. Die Hysterese des Komparators beruht auf dem Vorhandensein einer positiven Rückkopplung, die das "Abprallen" des Ausgangssignals beim Schalten des Komparators unterdrücken soll.


Wie ist der Komparator?

Das Schaltbild auf Transistorebene ist recht komplex, groß, nicht sehr klar, wird aber praktisch nicht benötigt. Dies sind die Konstruktionsmerkmale integrierter Schaltkreise. Es scheint, dass Transistoren überall herausragen, auch dort, wo sie nicht benötigt werden. Daher ist es besser, ein vereinfachtes Funktionsdiagramm des Komparators zu betrachten, das in Abbildung 3 dargestellt ist.

Vereinfachtes Funktionsdiagramm des Komparators

Abbildung 3. Vereinfachtes Funktionsdiagramm des Komparators

Das Diagramm zeigt die Eingangsdifferentialstufe (DC), die Ausgangslogik und die Pegelverschiebungsschaltung.

Der Eingangs-DC führt die Hauptverstärkung des Differenzsignals aus und ermöglicht es mit Hilfe eines Vorspannungsgeräts, den bevorzugten Zustand am Ausgang auszuführen, wodurch Sie die Art der Logik (TTL, ESL, CMOS) auswählen können, mit der Sie arbeiten müssen.Diese Einstellung erfolgt über einen Trimmwiderstand, der an die Klemmen "symmetrisch" angeschlossen ist.


Gating- und Speicherkomparatoren

Einige moderne Komparatoren haben einen Gate-Eingang: Der Vergleich der Eingangssignale erfolgt nur zum Zeitpunkt der Versorgung des entsprechenden Impulses. Auf diese Weise können Sie die Eingangssignale zu dem Zeitpunkt vergleichen, zu dem sie benötigt werden. Na ja, was auch immer du magst! Ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Komparators mit Gating ist in Abbildung 4 dargestellt.

Vereinfachtes Blockschaltbild eines Komparators

Abbildung 4. Vereinfachtes Blockdiagramm eines Komparators

Die in dieser Figur gezeigten Komparatoren haben wie ein Trigger eine Paraphasenausgabe, die obere Ausgabe ist direkt und die untere, mit einem Kreis markierte, ist natürlich invers. Zusätzlich ist hier auch Gate C gezeigt.

In Fig. 4a sind die Eingangssignale am Eingang C auf einem hohen Pegel angesteuert. Beim Ansteuern auf einem niedrigen Pegel sollte die grafische Bezeichnung am Eingang C einen kleinen Kreis (Inversionszeichen) haben.

In Fig. 4b hat der Gate-Eingang C einen Strich /, der anzeigt, dass das Gate entlang der ansteigenden Flanke des Impulses auftritt. Bei einem Tor an einer fallenden Front hat das Armaturenbrett diese Richtung.

Somit ist das Ansteuersignal nichts anderes als die Auflösung des Vergleichs. Das Ergebnis des Vergleichs kann nur während der Wirkung des Gate-Impulses am Ausgang erscheinen. Einige Komparatormodelle haben jedoch Speicher (nur ein Trigger reicht dafür aus) und merken sich das Vergleichsergebnis, bis der nächste Gate-Impuls eintrifft.

Die Dauer des Strobe-Impulses (seine Flanke) muss ausreichend sein, damit das Eingangssignal den Gleichstrom passieren kann, bevor die Speicherzelle Zeit zum Auslösen hat. Die Verwendung von Gating erhöht die Störfestigkeit des Komparators, da Interferenzen den Zustand des Komparators nur in einem kurzen Gate-Impuls ändern können. Oft wird der Komparator als Einzelbit-ADC bezeichnet.


Klassifikation der Komparatoren

Durch eine Kombination von Parametern können Komparatoren in drei große Gruppen unterteilt werden. Dies sind Allzweckkomparatoren, hohe Geschwindigkeit und Präzision. In der Amateurpraxis werden die ersteren am häufigsten verwendet.

Komparatoren mit breiter Anwendung haben keine übernatürlichen Parameter für Geschwindigkeit und Verstärkung, das Vorhandensein von Gating und Speicher und ihre eigenen attraktiven Eigenschaften und Merkmale. Sie haben einen geringen Stromverbrauch, die Fähigkeit, mit niedriger Spannung zu arbeiten, und die Tatsache, dass bis zu vier Komparatoren in einem Fall platziert werden können. Eine solche "Familie" ermöglicht es in einigen Fällen, sehr nützliche Geräte zu erstellen. Eines dieser Geräte ist in Abbildung 5 dargestellt.

Dies ist der einfachste Konverter eines analogen Signals in einen digitalen Einheitscode. Ein solcher Code kann durch digitale Konvertierung in Binärcode umgewandelt werden.

Wandlerschaltung eines analogen Signals in einen digitalen Einheitscode

Abbildung 5. Schema zur Umwandlung eines analogen Signals in einen digitalen Einheitscode

Die Schaltung enthält vier Komparatoren K1 ... K4. Die Referenzspannung wird über an die invertierenden Eingänge angelegt Widerstandsteiler. Wenn der Widerstand der Widerstände gleich ist, beträgt die Spannung an den invertierenden Eingängen der Komparatoren n * Uop / 4, wobei n die Seriennummer des Komparators ist. Die Eingangsspannung wird an die nicht invertierenden Eingänge angelegt, die miteinander verbunden sind. Durch den Vergleich der Eingangsspannung mit der Referenzspannung an den Ausgängen der Komparatoren erhalten wir einen einheitlichen digitalen Code der Eingangsspannung.

Im Detail werden wir die Parameter von Allzweckkomparatoren am Beispiel des weit verbreiteten und ziemlich erschwinglichen Komparators LM311 betrachten.


Komparatoren der Serie LM311


Versorgungsspannungen und Arbeitsbedingungen


Wie im Datenblatt beschrieben, haben diese Komparatoren Eingangsströme, die tausendmal kleiner sind als Komparatoren der Serien LM106 oder LM170. Darüber hinaus verfügen die Komparatoren der Serie LM311 über einen größeren Bereich von Versorgungsspannungen: von bipolaren ± 15 V wie bei Operationsverstärkern bis zu unipolaren + 5 ... 15 V.Dieser breite Leistungsbereich ermöglicht die Verwendung der Komparatoren der LM311-Serie in Verbindung mit Operationsverstärkersowie mit verschiedenen Reihen von Logikschaltungen: TTL, CMOS, DTL und andere.

Darüber hinaus können die LM311-Komparatoren Lampen und Relaiswicklungen mit Betriebsspannungen bis zu 50 V und Strömen von nicht mehr als 50 mA direkt steuern. Neben dem LM311 gibt es auch Komparatoren LM111 und LM211. Diese Mikroschaltungen unterscheiden sich in den Betriebsbedingungen, hauptsächlich in der Temperatur. Der Betriebsbereich des LM311 beträgt 0 ° C ... + 70 ° C (kommerzieller Bereich) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industriell), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (militärische Akzeptanz).

Vollständige inländische Analoga des Komparators LM311 sind 521CA3, 554CA3 und einige andere. Beim Ersetzen müssen Sie die Schaltung nicht wechseln und müssen nicht einmal die Leiterplatte wiederholen. Sie sollten nur darauf achten, dass Komparatoren wie andere Mikroschaltungen in verschiedenen Fällen verfügbar sind. Wenn Sie sie kaufen, sollten Sie dies daher maximal beachten, insbesondere wenn dieser Kauf zur Reparatur des fertigen Geräts verwendet wird.

Abbildung 7 zeigt die Pinbelegung (Pinbelegung) des LM311-Komparators, die in verschiedenen Fällen vorgenommen wurde.

Komparator LM311

Abbildung 6. Komparator LM311

Pinbelegung (Pinbelegung) des LM311-Komparators, in verschiedenen Fällen
Pinbelegung (Pinbelegung) des LM311-Komparators, in verschiedenen Fällen

Abbildung 7. Pinbelegung (Pinbelegung) des LM311-Komparators in verschiedenen Fällen.

Tatsächlich kann viel mehr über Komparatoren geschrieben werden. Mit ihrer Hilfe können Sie tun Fotorelais, thermisches Relais, elektrische Feldanzeige, kapazitives Relais und viele andere nützliche Geräte.

Einige interessante und nützliche Schaltkreise finden Sie im „Datenblatt“ des LM311-Komparators, wo sie als typische Schaltkreise angegeben sind. In dieser Form werden häufig Komparatoren verwendet. Hier sind nur Beschreibungen typischer Schemata in "typischem" Englisch. Aber wenn Sie nicht einmal eine Fremdsprache beherrschen, können Sie dies zumindest mithilfe eines Online-Übersetzers von Google herausfinden.

Fortsetzung Artikel: Einige einfache Komparatorschaltungen

Boris Aladyshkin

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • Komparatorschaltungen
  • Rückkopplungs-Operationsverstärkerschaltung
  • Integrierter Timer NE555 - Historie, Design und Betrieb
  • Operationsverstärker. Teil 2. Der perfekte Operationsverstärker
  • Legendäre analoge Chips

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    Kommentare:

    # 1 schrieb: Nikolay | [Zitat]

     
     

    Danke für den Artikel! Ich bin Ihnen sehr dankbar, alles ist einfach und erschwinglich. Ich denke, dieser Artikel wird für viele nützlich sein. Es ist einfacher, ihn anhand der Grundlagen zu verstehen und später in die Praxis umzusetzen.

     
    Kommentare:

    # 2 schrieb: Ruhm | [Zitat]

     
     

    Alles ist in Ordnung, aber bei Komparatoren gibt es normalerweise keine Hysterese. Dies wird erreicht, indem der Eingang "+" über einen Teiler an den Widerständen mit dem Ausgang verbunden wird. Der Hysteresewert wird durch den Wert des Widerstands des Teilers bestimmt.

     
    Kommentare:

    # 3 schrieb: Aleksey | [Zitat]

     
     

    Vielen Dank für den Artikel, er hat sehr geholfen.