Vertailija

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 28. huhtikuuta 2017 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 25 muokkausta .

Analogisten signaalien komparaattori ( latinan kielestä vertaa "vertaa") - vertailulaite: elektroninen piiri, joka vastaanottaa kaksi analogista signaalia tuloillaan ja lähettää korkean tason signaalin, jos signaali ei-invertoivassa sisääntulossa ("+") on suurempi kuin invertoivassa (käänteisessä) sisääntulossa ("-"), ja matalan tason signaali, jos signaali ei-invertoivassa sisääntulossa on pienempi kuin käänteisessä sisääntulossa. Vertailun lähtösignaalin arvoa, kun tulojännitteet ovat samat, ei yleensä määritellä. Tyypillisesti logiikkapiireissä korkean tason signaalille annetaan looginen 1 -arvo ja matalan tason signaalille looginen 0 -arvo .

Komparaattoreita käytetään kytkemään jatkuvia signaaleja, kuten jännitteitä, digitaalisten laitteiden loogisiin muuttujiin .

Niitä käytetään erilaisissa elektronisissa laitteissa, ADC :ssä ja DAC :ssa , merkinantolaitteissa, toleranssisäädössä jne.

Yhtä jännitteistä (signaaleista), jotka syötetään yhteen vertailutuloista, kutsutaan yleensä referenssi- tai kynnysjännitteeksi . Kynnysjännite jakaa komparaattorin toiseen tuloon syötettyjen tulojännitteiden koko alueen kahdeksi alaalueeksi. Vertailun lähtötila, korkea tai matala, osoittaa, kummalla kahdesta ala-alueesta tulojännite on. Yhdellä tulokynnysjännitteellä varustettua komparaattoria kutsutaan yleisesti yksikynnysvertailijaksi, on komparaattoreita kahdella tai useammalla kynnysjännitteellä, jotka vastaavasti jakavat tulojännitealueen alialueiden lukumäärään 1 suuremmalla määrällä kynnysarvoja.

Vertailtavaa signaalia voidaan soveltaa sekä vertailijan invertoivaan että ei-invertoivaan tuloon. Vastaavasti, tästä riippuen, vertailijaa kutsutaan invertoivaksi tai ei-invertoivaksi.

Vertailun matemaattinen kuvaus

Analyyttisessä muodossa ihanteellinen yhden kynnyksen ei-invertoiva komparaattori saadaan seuraavasta epäyhtälöjärjestelmästä:

U_{out}={\begin{cases}U_{0},&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref}\\{\text{undefined)),&{\ mbox {if }}U_{in}=U_{ref}\\U_{1},&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref}\end{cases}}

missä on vertailun kynnysjännite,

U_{ref}

U_{out}

on vertailulaitteen lähtöjännite,

U_{in}

on tulojännite vertailulaitteen signaalitulossa.

Kolmas, määrittelemätön arvo, kun kyseessä on binäärilähtötila, voi olla:

määrittää tai , $U_{0}$ $U_{1}$
määrittää tai satunnaisesti dynaamisesti, $U_{0}$ $U_{1}$
ottaa huomioon lähdön edellinen tila ja pitää tasa-arvoa riittämättömänä vaihtamiseen,
ottaa huomioon lähtösignaalin ensimmäisen kerran derivaatan ja pitää sen yhtä suurena kuin nolla riittämättömänä kytkemiseen.

Jos käytät moniarvoista logiikkaa, esimerkiksi kolmiarvoista, kolmannen tilan (tasa-arvo) huomioon ottamiseksi, käytä vastaavaa kolmiarvoista funktiota selkeästä kolmiosaisesta logiikasta selkeällä kolmannella arvolla.

Vertailupiirit

Piiri , yksinkertaisin vertailija on differentiaalivahvistin , jolla on suuri vahvistus (mieluiten ääretön). Yleensä operaatiovahvistimen (operaatiovahvistimen) siruja käytetään jännitevertailijoina nykyaikaisessa elektroniikassa . Mutta on olemassa mikropiirejä, jotka on erikoistunut käytettäviksi vertailijoina.

Vertailupiiri eroaa tavallisesta lineaarisesta (op-amp) -laitteesta sekä tulo- että lähtöasteessa:

Vertailun tuloasteen on kyettävä kestämään monenlaisia differentiaalitulojännitteitä (invertoivien ja ei-invertoivien tulojen välillä), syöttöjännitteisiin asti ja kaikkia yhteismuotoisia jännitteitä.
Vertailun lähtöaste on yleensä suunniteltu yhteensopivaksi logiikkatasojen ja virtojen suhteen yleisten logiikkapiirien tulotyyppien kanssa ( TTL , ESL -tekniikat jne.). Komparaattorin lähtöaste on saatavana yhdellä avoimen kollektorin transistorilla , joka tarjoaa samanaikaisen yhteensopivuuden TTL- ja CMOS - logiikkapiirien kanssa.
Vertailupiirejä ei ole suunniteltu toimimaan negatiivisen palautteen kanssa operaatiovahvistimena, ja kun niitä käytetään, negatiivista palautetta ei käytetä. Päinvastoin, hystereettisen siirto-ominaisuuden muodostamiseksi komparaattorit ovat usein positiivisen palautteen ympäröimiä. Tämä toimenpide välttää nopean, ei-toivotun lähtötilan vaihtamisen tulosignaalin kohinan vuoksi, kun tulosignaali muuttuu hitaasti.
Komparaattorimikropiirejä suunniteltaessa kiinnitetään erityistä huomiota tuloasteen nopeaan palautumiseen ylikuormituksen ja tulojännite-eron etumerkin muutoksen jälkeen. Nopeissa komparaattoreissa nopeuden lisäämiseksi piirit eivät salli lähtöasteen bipolaaristen transistorien siirtymistä saturaatiotilaan.

Positiivisen palautteen piiriin kuuluvilla vertailijoilla on hystereesi ja ne ovat olennaisesti kahden kynnyksen vertailijoita, usein tällaista vertailijaa kutsutaan Schmitt-laukaisuksi .

Tulojännitteiden ollessa samat, todelliset komparaattorit ja vertailupiirin mukaan kytketyt operaatiovahvistimet antavat kaoottisesti muuttuvan lähtösignaalin omasta kohinastaan ja tulosignaalien kohinoista johtuen. Yleinen toimenpide tällaisen kaoottisen kytkennän vaimentamiseksi on positiivisen takaisinkytkennän käyttöönotto hystereettisen siirto-ominaisuuden saamiseksi.

Ohjelmistossa mallinnettaessa komparaattoria on ongelma komparaattorin lähtöjännitteessä samoilla jännitteillä komparaattorin molemmissa tuloissa. Tässä vaiheessa komparaattori on epävakaassa tasapainotilassa . Ongelma voidaan ratkaista monilla eri tavoilla, jotka on kuvattu "ohjelmistovertailu"-alakohdassa.

Vertailun ohjelmistosimulaatio

Ohjelmissa voidaan ensimmäisenä approksimaationa käyttää yksinkertaisinta epäsymmetrisen vertailijan mallia, jossa verrattujen syötemuuttujien yhtä suuret arvot ovat jatkuvasti arvossa "0" tai "1". alla olevassa esimerkissä kolmas arvo on jatkuvasti asetettu "0":

int V1 , V2 puristaa ulos jos ( V1 > V2 ) { ulos = 1 } muu { ulos = 0 }

Monimutkaisemmissa symmetristen vertailijoiden malleissa kolmas arvo on mahdollinen binäärilogiikassa :

määritä "0" tai "1" pysyvästi,
määritä "0" tai "1" satunnaisesti dynaamisesti,
ottaa huomioon edellinen arvo ja pitää tasa-arvoa riittämättömänä vaihtamiseen,
ottaa huomioon ensimmäisen derivaatan ja pitää sen yhtäläisyyttä nollaan riittämättömänä vaihtamiseen,

tai mene pidemmälle kuin binäärilogiikka ja:

Kolmannen arvon (yhtä-arvo) huomioon ottamiseksi käytä asianmukaista kolmiosaista funktiota selkeästä kolmiosaisesta logiikasta selkeällä kolmannella arvolla.

Ohjelmistosimulaatiossa olemassa olevaa kolmannen tilan ongelmaa, jossa kaksi koodisanoilla esitettyä numeroa voi olla täsmälleen yhtä suuri, ei käytännössä tapahdu: kaksi jännitettä ei voi täsmälleen täsmää, koska ensinnäkin analoginen jännite on ei-kvantisoitava arvo. ja toiseksi, on kohinaa, vertailijan tulobiasjännitettä ja muita häiriöitä, jotka ratkaisevat epäselvyyden, vaikka analogisen vertailijan tulojännitteet olisivat samat.

Komparaattorit kahdella tai useammalla vertailujännitteellä

Ne on rakennettu kahteen tai useampaan tavanomaiseen vertailulaitteeseen.

Kahden kynnyksen (kolmiosainen) vertailija

Kahden kynnyksen (kolmio) komparaattorissa on kaksi referenssijännitettä ja se koostuu kahdesta tavanomaisesta komparaattorista. Kaksi vertailujännitettä jakaa koko tulojännitealueen kolmeen sumeaan kolmilogiikkaan sumeaan alialueeseen , joille on määritetty kolme erillistä arvoa terävässä ternäärilogiikassa . 2-bittinen kolmiulotteinen (2B BCT) logiikkasignaali ( trit ) kolmiosaisen komparaattorin lähdössä osoittaa, missä kolmesta alialueesta tulojännite on. Kolmiosaisen komparaattorin looginen osa suorittaa kolmiosaisen loogisen funktion - "toistin" (F107 3 = F8 10 ). 2-bittinen trit (2B BCT) voidaan muuntaa 3-bittiseksi tritiksi (3B BCT) tai 3-bittiseksi tritiksi (3LCT) .

Analyyttisessä muodossa kahden kynnyksen (kolmio) vertailija saadaan seuraavilla epäyhtälösjärjestelmillä:

{\begin{cases}U_{ref2}>U_{ref1}\\U_{out1}={\begin{cases}0,&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref1} \\undefined,&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref1}\\1,&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref1}\end{cases}}\\ U_{out2}={\begin{cases}0,&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref2}\\undefined,&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref2 }\\1,&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref2}\end{cases}}\end{cases}}

missä:

U ref1 ja U ref2 ovat alemman ja ylemmän vertailukynnyksen jännitteitä; U out1 ja U out2 ovat vertailulaitteiden lähtöjännitteet; U in on vertailulaitteiden tulojännite.

Kahden kynnyksen (kolmiosainen) vertailija on yksinkertaisin yksibittinen kolmiosainen ADC .

Kolmiosainen komparaattori on sovitin sumeasta kolmiosaisesta logiikasta terävään kolmiosaiseen logiikkaan , joka ratkaisee sumean ternaarisen logiikan ongelmat terävän ternaarisen logiikan avulla .

Vipukytkimet ja kytkimet 3 asentoa varten ilman kiinnitystä (ON)-OFF-(ON) [1] [2] ovat mekaanisähköisiä kolmikomponentteja (kaksikynnystä) komparaattoreita, joissa syöttöarvo on vivun mekaaninen poikkeama keskiasennosta. .

Kahden kynnyksen (kolmiosainen) vertailulaite on saatavana erillisenä MA711H-siruna (K521CA1).

Sitä käytetään suositun NE555 ajastinsirun tarkassa Schmitt-laukaisimessa .

Heikkolaatuista kolmikomponenttia, jossa on binäärivertailijat digitaalisissa 2I-NOT-logiikkaelementeissä, käytetään ternäärisessä teholähteen jännitteen osoittimessa, jossa kolme tulojännitealuetta muunnetaan yhdeksi kolmibittiseksi yhden yksikön tritiksi (3B BCT) [3] . Tarkan Schmitt-laukaisimen rakentamiseksi tästä piiristä puuttuu binäärinen RS-kiikku, joka voidaan suorittaa kahdelle ylimääräiselle 2I-NOT-logiikkaelementille (käytä esimerkiksi kahta K155LA3-sirun neljästä 2I-NOT-logiikkaelementistä).

Monitulovertailijat

Rinnakkaisten suoramuunnos- ADC :iden syöttövaihe on monitasoinen vertailija. Se käyttää vertailujännitteitä, joissa n on lähtökoodin bittien lukumäärä. Ero vierekkäisten vertailutasojen välillä tällaisissa monitulovertailijoissa on yleensä vakio. $2^{n}-1$

Esimerkkejä vertailevista integroiduista piireistä

Esimerkki tunnetuista vertailijoista: LM311 (venäläinen analogi - KR554CA3), LM339 (venäläinen analogi - K1401CA1). Tämä mikropiiri löytyy usein erityisesti tietokoneiden emolevyistä sekä jännitteenmuunnosyksiköiden PWM-ohjainten ohjausjärjestelmistä (esimerkiksi tietokoneen virtalähteistä, joissa on ATX-virtajärjestelmä) [4] [5] .

Vertailuparametrit

Vertailulaitteiden laatua kuvaavat parametrit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: tarkkuus, dynamiikka ja suorituskyky. Vertailijalle on ominaista samat tarkkuusparametrit kuin operaatiovahvistimelle. Vertailun tärkein dynaaminen parametri on kytkentäaika tp. Tämä on aikaväli vertailun alusta siihen hetkeen, jolloin komparaattorin lähtöjännite saavuttaa päinvastaisen logiikkatason. Kytkentäaika mitataan vakioreferenssijännitteellä, joka on kohdistettu toiseen vertailutuloon ja tulojännitteen hyppy Uin toiseen tuloon. Tämä aika riippuu Uin:n ylimäärästä vertailujännitteen yli. Vertailun kytkentäaika tp voidaan jakaa kahteen osaan: viiveaikaan tg ja nousuaikaan logiikkapiirin tl kynnykseen. Käsikirjoissa annetaan yleensä kytkentäaika 5 mV:n erojännitearvolle vaiheen jälkeen.

Muistiinpanot

↑ Vipukytkin ilman kiinnitystä 3 asentoa 5114.3709 . Haettu 3. tammikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 4. tammikuuta 2018. (määrätön)
↑ Yksinapaiset vaihtokytkimet KN3 3 asentoon ilman kiinnitystä (ON)-OFF-(ON) . Haettu 3. tammikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 4. tammikuuta 2018. (määrätön)
↑ Yksinkertaiset laitteet K155LA3-sirulla. Toinen piiri on virtalähteen lähtöjännitteen tilan osoitin.
↑ Milovzorov O. V. Pankov I. G. Elektroniikka - 2004
↑ Weisburd F. I., Panaev G. A., Saveliev B. N. Elektroniset laitteet ja vahvistimet - 2005

Linkit

Analogiset komparaattorit, toimintateoria