משווים אנלוגיים

כותרת משווים הגיע מהלטינית השווה - השווה. התקנים בהם המדידה מתבצעת על ידי השוואה לעבודה סטנדרטית על עיקרון זה. לדוגמא, סולמות שוות זרוע או פוטנציומטרים חשמליים.

עקרון הפעולה מבחין בין משווים חשמליים, פנאומטיים, אופטיים ואפילו מכניים. האחרונים משמשים לבדיקת מדדי אורך קצה. לראשונה הוחל בפאריס משווה לאימות אמצעי סיום על ידי לנואר בשנת 1792, עליו יש מאמר באנציקלופדיה של ברוקהאוס ואפרון.

משווה מכני זה שימש לבדיקת תקן 1 מטר בהתהוות המערכת המטרית הצרפתית. דיוק המדידה של משווה כזה באמצעות מערכת מנופים מטלטלין הגיע ל 0.0005 מ"מ. באותה תקופה זה היה מדויק מאוד. אך במאמר זה לא נשקול בפירוט משווים מכניים ואחרים, מכיוון שתפקידנו לעשות זאת משווקי מתח.

משווים משולבים. עקרון הפעולה והזנים

נכון לעכשיו משתמשים במושווים בעיקר בתכנון משולב. מעטים האנשים שיחשבו להרכיב קומפליקטור מטרנזיסטורים בדידים. יתר על כן, משווים משמשים כחלק ממעגלים מסוימים.

למשל טיימר משולב NE555 מכיל שני משווים למתחילים, שלמעשה מושג את כל הקסם בעבודתו. בנוסף, רבים בקרי מיקרו מודרניים יש גם משווים מובנים. אך ללא קשר לביצוע, עקרונות ההשוואה זהים לחלוטין.

משווים מודרניים בתכנית דומים מאוד לאומפלים. למעשה זהו אותו מגבר תפעולי, רק ללא משוב ועם רווח גבוה מאוד. למושווה יש גם שתי כניסות, ישירות והופכות (מסומנות במעגל או בסימן מינוס).

תפקידו העיקרי של המשווה הוא להשוות בין שני מתחים, האחד מהם למופת או התייחסות, והשני נמדד בפועל. אות הפלט של המשווה יכול לקחת שני ערכים בלבד: אפס לוגי ויחידה לוגית, אך לא ניתן לשנות אותם באופן לינארי, כמו מגבר תפעולי.

בפלט של המשווים, ככלל, יש תפוקה טרנזיסטור עם אספן פתוח ופולט. לכן ניתן לחבר אותו לפי מעגל עם OE או עוקב פולט, בהתאם לדרישות של מעגל מסוים, כמוצג באיור 1.

איור 1 א מראה את הכללת טרנזיסטור פלט במעגל עם פולט משותף. במקרה זה, ניתן לחבר TTL ו- CMOS - היגיון עם מתח אספקה ​​של + 5V לפלט המפל. אם ההיגיון CMOS מופעל על ידי מתח של 15 וולט, יש לחבר את הפלט העליון של הנגד 1Kohm לפי הסכימה לאוטובוס הכוח + 15V.

כאשר טרנזיסטור הפלט מחובר על פי מעגל חסיד הפולט, כפי שמוצג באיור 1b, המתח ביציאת המשווה ישתנה בתוך + 15V ... -15V. עם זאת, עם הכללה זו, מהירות המשווה פוחתת באופן משמעותי, ובנוסף, התשומות "מחליפות", - הכניסות הפוכות.

איור 1

כיצד לבדוק את המשווה, חי או לא חי?

אם נורית מולחמה ברציפות עם נורית R במעגל המוצג באיור 1 א על ידי חיבור האנודה לספק כוח + 5V, ומתח מופעל על הכניסות באמצעות נגדים, אז שינוי מתחים אלה באמצעות נגדים משתנים לפחות עלול לגרום להבהבת הנורה. באיזה רצף ליישם את ההפניה ואת מתח הקלט ניתן למצוא עוד. תן לתכנית מבחן שכזו להיות משימה מעשית קטנה.

ההיגיון של המשווה

תרשים פונקציונלי של המשווה מוצג באיור 2.

איור 2. תרשים פונקציונלי של המשווה

עם כל כך הרבה כניסות ואותות קלט, שתי אפשרויות אפשריות. במקרה הראשון, המוצג בצד שמאל של הדמות, מתח ההפניה מוחל על הכניסה ההפוכה, ומתח הכניסה למתח הלא הפוך. אם מתח הכניסה עולה על מתח ההתייחסות, יופיע רמה גבוהה ביציאת המשווה (רישום 1). אחרת, יהיה לנו אפס הגיוני.

בגרסה השנייה, המוצגת בצד ימין של הדמות, מתח ההפניה מוחל על הכניסה הישירה, ומתח הכניסה למתח ההפוך. במקרה זה, אם מתח הכניסה גדול ממתח ההתייחסות ביציאת המשווה, היגיון אפס, אחרת, אחדות. באיור 2 כל המסקנות הללו מוצגות בצורה של נוסחאות מתמטיות.

אבל כאן עלולה להיות שאלה הוגנת לקורא קשוב: "הסתכל באיור 1, כמה שקעים יש! אז על איזה הם מדברים, איזה סוג אפס יש, ואיפה היחידה כאן? " במקרה זה, אנו מדברים על בסיס טרנזיסטור הפלט, ההערכה היא שמדובר בפלט של המגבר התפעולי, אליו מועברים אותות הכניסה. וניתן להפעיל את טרנזיסטור הפלט, כפי שצוין בתגובות לתרשים 1, בכל דרך שהיא.

כמה מאפיינים של משווים אנלוגיים

כשמשתמשים במושכים יש לקחת בחשבון את המאפיינים שלהם, אותם ניתן לחלק לסטטי ודינאמי. הפרמטרים הסטטיים של המשווה הם אלה שנקבעים במצב יציב.

ראשית, זו רגישות הסף של המשווה. זה מוגדר כהבדל המינימלי של אותות הקלט שבהם מופיע אות לוגי בפלט.

בנוסף לכניסה ולפלט, למושווים רבים יש תפוקות לאספקת מתח הטיה Ucm. באמצעות מתח זה מתבצעת המשמרת ההכרחית של מאפיין ההעברה ביחס למיקום האידיאלי.

אחד הפרמטרים העיקריים של המשווה הוא היסטריה. הדרך הקלה ביותר להסביר תופעה זו היא להשתמש בדוגמא עם ממסר קונבנציונאלי. תן למתח ההפעלה של הסליל, למשל 12V, ואז זה שהממסר יפעל. אם לאחר מכן, צמצמו בהדרגה את מתח האספקה ​​של הסליל, אז הממסר ישחרר, למשל, במתח של 7V. ההבדל הזה של עד 5V לממסר זה הוא היסטריה. אבל הממסר לא יופעל שוב, אם המתח יישאר ברמה 7 וולט זה לא יקרה. לשם כך, הרם את המתח שוב ל 12 וולט. ואז ...

כך ניתן לראות גם אצל משווים. נניח שמתח הכניסה עולה בצורה חלקה יחסית למתח הייחוס (אותות מופעלים, כפי שמוצג בחלק השמאלי של איור 2). ברגע שמתח הכניסה יהיה גבוה יותר ממתח ההתייחסות (לא פחות מערך הרגישות לסף), תופיע יחידה לוגית ביציאת המשווה.

אם מתח הקלט מתחיל לרדת בצורה חלקה, המעבר מיחידה לוגית לאפס לוגי יתרחש כאשר מתח הכניסה נמוך מעט ממתח ההתייחסות. ההבדל במתח הכניסה ב"על הפניה "ו"מתחת להפניה" נקרא היסטריה של המשווה. ההיסטריה של המשווה נובעת מנוכחות פידבק חיובי בו, שנועד לדכא את "הניתור" של אות הפלט בעת מעבר המשווה.

איך המשווה

דיאגרמת המעגל ברמת הטרנזיסטור מורכבת למדי, גדולה, לא מאוד ברורה, אך למעשה אינה נחוצה. אלה הם תכונות העיצוב של מעגלים משולבים, נראה כי טרנזיסטורים בולטים בכל מקום, גם במקום בו אין צורך. לכן עדיף לשקול תרשים פונקציונלי מפושט של המשווה, שמוצג באיור 3.

איור 3. תרשים פונקציונלי פשוט של המשווה

התרשים מציג את שלב ההפרש הקלט (DC), את לוגיקת הפלט ואת מעגל הסטת הרמות.

קלט ה- DC מבצע את ההגברה העיקרית של אות ההבדל, וגם בעזרת מכשיר הטיה מאפשר לבצע את המצב המועדף בפלט, המאפשר לבחור את סוג ההיגיון (TTL, ESL, CMOS) שעליך לעבוד איתו.הגדרה זו מתבצעת באמצעות נגן זמירה המחובר למסופי "איזון".

משווים בין שערים וזיכרון

לחלק מהמשווים המודרניים יש כניסה שערית: ההשוואה בין אותות הקלט מתרחשת רק ברגע אספקת הדופק המקביל. זה מאפשר לך להשוות בין אותות הקלט באותו רגע בזמן בו הוא נדרש. ובכן, נכון, כל מה שתרצו! תרשים בלוק מפושט של משווה עם שערים מוצג באיור 4.

איור 4. תרשים חסימת פשט של משווה

למשווים המוצגים באיור זה יש תפוקת פרפזה, כמו טריגר, הפלט העליון ישיר, והתחתון, המסומן במעגל, הפוך מטבעו. בנוסף, שער C מוצג גם כאן.

באיור 4 א, השער של אותות הקלט מתבצע ברמה גבוהה בכניסה C. כאשר השערים ברמה נמוכה, הייעוד הגרפי בכניסה C צריך להיות מעגל קטן (שלט היפוך).

באיור 4b, לכניסה לשער C מקף / מה שמצביע על כך שהשערה מתרחשת בקצה הדופק העולה. במקרה של שערים בחזית נופלת, המקף מכוון את הכיוון הזה.

לפיכך, האות השער אינו אלא רזולוציה של ההשוואה. תוצאת ההשוואה יכולה להופיע בפלט רק במהלך פעולת דופק השער. אבל בחלק מדגמי ההשוואה יש זיכרון (רק טריגר אחד מספיק לשם כך) וזכור את תוצאת ההשוואה עד להגעת הדופק השער הבא.

משך דופק הסטרוב (קצהו) חייב להיות מספיק בכדי שהאות הקלט תעבור דרך ה- DC לפני שלתא הזיכרון יש זמן להפעיל. השימוש בשער מגביר את חסינות הרעש של המשווה, מכיוון שהפרעה יכולה לשנות את מצבו של המשווה רק בתוך זמן קצר של דופק השער. לעיתים קרובות המכונה נקרא ADC בודד.

סיווג המשווים

על ידי שילוב של פרמטרים ניתן לחלק את המשווים לשלוש קבוצות גדולות. אלה הם משווים למטרות כלליות, מהירות גבוהה ודיוק. בתרגול חובבני, הראשונים משמשים לרוב.

ללא פרמטרים על טבעיים למהירות ולרווח, נוכחות של שערים וזיכרון, למושווים של יישומים רחבים יש תכונות ותכונות מושכות משלהם. יש להם צריכת חשמל נמוכה, יכולת עבודה במתח נמוך ועובדה שאפשר יהיה לאתר עד ארבעה משווים במקרה אחד. "משפחה" כזו מאפשרת במקרים מסוימים ליצור מכשירים שימושיים מאוד. אחד המכשירים הללו מוצג באיור 5.

זהו הממיר הפשוט ביותר של אות אנלוגי לקוד יחידה דיגיטלית. ניתן להמיר קוד כזה לבינארי באמצעות המרה דיגיטלית.

איור 5. תרשים המרת אות אנלוגי לקוד יחידה דיגיטלית

המעגל מכיל ארבעה משווים K1 ... K4. מתח ההתייחסות מוחל על כניסות ההפוך דרך מחלק התנגדות. אם ההתנגדות של הנגדים זהה, אזי המתח בכניסות ההפוך של המשווים הוא n * Uop / 4, כאשר n הוא המספר הסידורי של המשווה. מתח הכניסה מוחל על הכניסות הלא הפיכות המחוברות יחד. כתוצאה מהשוואת מתח הכניסה למתח ההתייחסות ביציאות המשווים, אנו מקבלים קוד דיגיטלי יחידתי של מתח הכניסה.

ביתר פירוט, נשקול את הפרמטרים של משווים למטרות כלליות תוך שימוש בדוגמא של המשווה הנפוץ והמשתלם למדי LM311.

משווים לסדרת LM311

מתחי אספקה ​​ותנאי עבודה

כפי שנכתב בגיליון הנתונים, למושווים אלה יש זרמי קלט קטנים פי אלף משווים של סדרת LM106 או LM170. בנוסף, לממווני סדרת LM311 יש מגוון רחב יותר של מתחי אספקה: החל מ - 15 וולט קוטבי, כמו במגברים תפעוליים, עד 5 + 15 ... 15V.טווח ההספק הרחב הזה מאפשר שימוש במכשירי משווה סדרת LM311 בשילוב עם מגברים תפעולייםוכן עם סדרות שונות של מעגלי לוגיקה: TTL, CMOS, DTL ואחרים.

בנוסף, משוואי LM311 יכולים לשלוט ישירות במנורות ובפיתולי ממסר עם מתחי פעולה עד 50 וולט וזרמים שלא יעלו על 50mA. בנוסף ל- LM311, ישנם גם משווים LM111 ו- LM211. מעגלי מיקרו אלה נבדלים זה מזה בתנאי ההפעלה, בעיקר בטמפרטורה. טווח הפעולה של LM311 הוא 0 ° C ... + 70 ° C (טווח מסחרי) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (תעשייתי), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (קבלה צבאית).

אנלוגים מקומיים מלאים של המשווה LM311 הם 521CA3, 554CA3 וכמה אחרים. כשאתה מחליף, אינך צריך להחליף את המעגל ואפילו לא צריך לבצע שוב את המעגל. עליכם רק לשים לב לעובדה כי משווים, כמו מיקרו-מעגלים אחרים, זמינים במקרים שונים, כך שכאשר אתם קונים אותם עליכם לשים לב לכך בצורה מקסימאלית, במיוחד אם רכישה זו תשמש לתיקון המכשיר המוגמר.

איור 7 מציג את ה- pinout (pinout) של המשווה LM311, שנעשה במקרים שונים.

איור 6. משווה LM311

איור 7. איור 7. Pinout (pinout) של המשווה LM311, שנעשה במקרים שונים.

למעשה, ניתן לכתוב הרבה יותר על משווים. בעזרתם תוכלו לעשות ממסר תמונות, ממסר תרמי, מחוון שדה חשמלי, ממסר קיבולי ומכשירים שימושיים רבים אחרים.

ניתן למצוא מספר מעגלים מעניינים ושימושיים ב"גליון הנתונים "של המשווה LM311, שם הם ניתנים כמעגלי מיתוג אופייניים. בצורה זו משתמשים במושווים לעתים קרובות למדי. להלן רק תיאורים של ערכות טיפוסיות הניתנות באנגלית "טיפוסית". אבל אפילו בלי לדעת שפה זרה, אתה יכול להבין זאת, לפחות בעזרת מתרגם מקוון של גוגל.

מאמר המשך: כמה מעגלי משווה פשוטים

בוריס אלאדישקין

Comments

[#1 ניקולאי]

תודה על המאמר! אני מודה לך מאוד, הכל פשוט ובמחיר סביר. אני חושב שמאמר זה יהיה שימושי עבור רבים, קל יותר להבין את היסודות ומאוחר יותר להוציא אותו לפועל.

[#2 תהילה]

הכל בסדר, אך בדרך כלל אין היסטריה אצל משווים. זה מתקבל על ידי חיבור הכניסה "+" דרך מחיצה על הנגדים לפלט. ערך ההיסטריה נקבע על ידי ערך ההתנגדות של המחלק.

[#3 אלכסיי]

תודה רבה על המאמר, זה עזר רבות.