Srovnávač

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 28. dubna 2017; kontroly vyžadují 25 úprav .

Komparátor (z latiny comparare „compare“) analogových signálů - porovnávací zařízení: elektronický obvod, který přijímá dva analogové signály na svých vstupech a vydává signál vysoké úrovně, pokud je signál na neinvertujícím vstupu („+“) větší. než na invertujícím (inverzním) vstupu ("-") a signál nízké úrovně, pokud je signál na neinvertujícím vstupu menší než na invertovaném vstupu. Hodnota výstupního signálu komparátoru, když jsou vstupní napětí stejná, v obecném případě není definována. Typicky je v logických obvodech signálu vysoké úrovně přiřazena hodnota logické 1 a signálu nízké úrovně je přiřazena hodnota logické 0 .

Komparátory se používají k propojení spojitých signálů, jako jsou napětí, s logickými proměnnými digitálních zařízení.

Používají se v různých elektronických zařízeních, ADC a DAC , signalizačních zařízeních, kontrole tolerance atd.

Jedno z napětí (signálů) aplikovaných na jeden ze vstupů komparátoru se obvykle nazývá referenční nebo prahové napětí . Prahové napětí rozděluje celý rozsah vstupních napětí přivedených na druhý vstup komparátoru do dvou podrozsahů. Stav výstupu komparátoru, vysoký nebo nízký, udává, ve kterém ze dvou podrozsahů je vstupní napětí. Komparátor s jedním vstupním prahovým napětím se běžně nazývá jednoprahový komparátor, existují komparátory se dvěma nebo více prahovými napětími, které rozdělují rozsah vstupního napětí na počet dílčích rozsahů o 1 větší počet prahů.

Porovnávaný signál lze přivést jak na invertující, tak na neinvertující vstup komparátoru. Podle toho se komparátor nazývá invertující nebo neinvertující.

Matematický popis komparátoru

V analytické podobě je ideální jednoprahový neinvertující komparátor dán následujícím systémem nerovností:

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}}

kde je srovnávací prahové napětí,

U_{ref}

U_{out}

je výstupní napětí komparátoru,

U_{in}

je vstupní napětí na vstupu signálu komparátoru.

Třetí, nedefinovaná hodnota, v případě stavu binárního výstupu, může být:

přiřadit nebo , $U_{0}$ $U_{1}$
přiřadit nebo náhodně dynamicky, $U_{0}$ $U_{1}$
vzít v úvahu předchozí stav výstupu a považovat rovnost za nedostatečnou pro přepínání,
vzít v úvahu první časovou derivaci výstupního signálu a považovat ji rovnou nule za nedostatečnou pro přepínání.

V případě použití vícehodnotové logiky, například ternární pro zohlednění třetího stavu (rovnosti), použijte odpovídající ternární funkci z jasné ternární logiky s jasnou třetí hodnotou.

Komparační obvody

Circuitry , nejjednodušší komparátor je diferenciální zesilovač s vysokým ziskem (ideálně nekonečným). Obvykle se čipy operačních zesilovačů (op-amp) používají jako komparátory napětí v moderní elektronice . Existují však mikroobvody specializované pro použití jako komparátory.

Čip komparátoru se liší od obvyklého lineárního (op-amp) zařízení ve vstupním i výstupním stupni:

Vstupní stupeň komparátoru musí být schopen odolat širokému rozsahu rozdílových vstupních napětí (mezi invertujícími a neinvertujícími vstupy), až po napájecí napětí a celý rozsah napětí v běžném režimu.
Koncový stupeň komparátoru je obvykle navržen tak, aby byl z hlediska logických úrovní a proudů kompatibilní s běžným typem vstupů logických obvodů ( technologie TTL , ESL atd.). Výstupní stupeň komparátoru je k dispozici s jedním tranzistorem s otevřeným kolektorem , který poskytuje současnou kompatibilitu s logickými obvody TTL a CMOS .
Obvody komparátoru nejsou navrženy tak, aby pracovaly s negativní zpětnou vazbou jako operační zesilovač, a když jsou použity, negativní zpětná vazba se nepoužívá. Naopak, aby se vytvořila hysteretická přenosová charakteristika, komparátory jsou často obklopeny pozitivní zpětnou vazbou. Toto opatření zabraňuje rychlému nechtěnému přepínání výstupního stavu v důsledku šumu ve vstupním signálu, když se vstupní signál mění pomalu.
Při návrhu komparátorových mikroobvodů je zvláštní pozornost věnována rychlé obnově vstupního stupně po přetížení a změně znaménka rozdílu vstupního napětí. Ve vysokorychlostních komparátorech, aby se zvýšila rychlost, obvody neumožňují bipolárním tranzistorům ve výstupním stupni vstoupit do saturačního režimu.

Komparátory pokryté pozitivní zpětnou vazbou mají hysterezi a jsou to v podstatě dvouprahové komparátory, často se takový komparátor nazývá Schmittův spouštěč .

Když jsou vstupní napětí stejná, skutečné komparátory a operační zesilovače zapojené podle obvodu komparátoru dávají chaoticky se měnící výstupní signál v důsledku vlastního šumu a šumu vstupních signálů. Běžným opatřením pro potlačení takového chaotického přepínání je zavedení kladné zpětné vazby pro získání hysterezní přenosové charakteristiky.

Při softwarovém modelování komparátoru nastává problém výstupního napětí komparátoru se stejnými napětími na obou vstupech komparátoru. V tomto okamžiku je komparátor ve stavu nestabilní rovnováhy . Problém lze vyřešit mnoha různými způsoby, které jsou popsány v podkapitole „porovnávač softwaru“.

Softwarová simulace komparátoru

V programech můžete jako první aproximaci použít nejjednodušší model asymetrického komparátoru, ve kterém je třetí hodnota se stejnými hodnotami porovnávaných vstupních proměnných neustále přiřazena k „0“ nebo k „1“, v v příkladu níže je třetí hodnota neustále přiřazena k "0":

int V1 , V2 vybuchnout _ if ( V1 > V2 ) { ven = 1 } jiný { ven = 0 }

Ve složitějších modelech symetrických komparátorů je možná třetí hodnota, v rámci binární logiky :

trvale přiřadit k „0“ nebo k „1“,
přiřadit k "0" nebo k "1" náhodně dynamicky,
vzít v úvahu předchozí hodnotu a považovat rovnost za nedostatečnou pro přepínání,
vzít v úvahu první derivaci a považovat její nulovou rovnost za nedostatečnou pro přepínání,

nebo jít nad rámec binární logiky a:

pro zohlednění třetí hodnoty (rovnosti) použijte příslušnou ternární funkci z jasné ternární logiky s jasnou třetí hodnotou.

Stávající problém třetího stavu v softwarové simulaci, kdy dvě čísla reprezentovaná kódovými slovy mohou být přesně stejná, v praxi nenastává: dvě napětí se nemohou přesně shodovat, protože za prvé, analogové napětí je nekvantifikovatelná hodnota, a za druhé je zde šum, předpětí na vstupu komparátoru a další poruchy, které řeší nejednoznačnost, i když jsou vstupní napětí analogového komparátoru stejná.

Komparátory se dvěma nebo více srovnávacími napětími

Jsou postaveny na dvou nebo více konvenčních komparátorech.

Dvouprahový (ternární) komparátor

Dvouprahový (ternární) komparátor má dvě referenční napětí a skládá se ze dvou konvenčních komparátorů. Dvě srovnávací napětí rozdělují celý rozsah vstupních napětí do tří fuzzy podrozsahů ve fuzzy ternární logice , kterým jsou v ostré ternární logice přiřazeny tři odlišné hodnoty . 2bitový ternární (2B BCT) logický signál ( trit ) na výstupu ternárního komparátoru udává, ve kterém ze tří podrozsahů je vstupní napětí. Logická část ternárního komparátoru plní unární ternární logickou funkci - "opakovač" (F107 3 = F8 10 ). 2bitový ternární trit (2B BCT) lze převést na 3bitový trit (3B BCT) nebo 3bitový trit (3LCT) .

V analytické podobě je dvouprahový (ternární) komparátor dán následujícími systémy nerovností:

{\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}}

kde:

U ref1 a U ref2 jsou napětí dolní a horní srovnávací prahové hodnoty; U out1 a U out2 jsou výstupní napětí komparátorů; U in je vstupní napětí na komparátorech.

Dvouprahový (ternární) komparátor je nejjednodušší jednobitový ternární ADC .

Ternární komparátor je adaptér z fuzzy ternární logiky na crisp ternární logiku pro řešení problémů fuzzy ternární logiky pomocí crisp ternární logiky.

Páčkové přepínače a přepínače pro 3 polohy bez upevnění (ON)-OFF-(ON) [1] [2] jsou mechanoelektrické ternární (dvouprahové) komparátory, u kterých je vstupní hodnotou mechanická výchylka páky od střední polohy. .

Dvouprahový (ternární) komparátor je k dispozici jako samostatný čip MA711H (K521CA1).

Používá se v přesné Schmittově spoušti populárního časovače NE555 .

Nekvalitní ternární komparátor s binárními komparátory na digitálních logických prvcích 2I-NOT je použit v ternárním indikátoru napájecího napětí s převodem tří rozsahů vstupního napětí na jeden tříbitový jednojednotkový trit (3B BCT) [3] . Pro vytvoření přesné Schmittovy spouště tento obvod postrádá binární RS klopný obvod, který lze provést na dvou dalších logických prvcích 2I-NOT (například použijte dva ze čtyř logických prvků 2I-NOT čipu K155LA3).

Vícevstupové komparátory

Vstupním stupněm paralelních ADC s přímou konverzí je víceúrovňový komparátor. Využívá srovnávací napětí, kde n je počet bitů výstupního kódu. Rozdíl mezi sousedními srovnávacími úrovněmi v takových vícevstupových komparátorech je obvykle konstantní. $2^{n}-1$

Příklady komparátorových integrovaných obvodů

Příklad známých komparátorů: LM311 (ruský analog - KR554CA3), LM339 (ruský analog - K1401CA1). Tento mikroobvod se často vyskytuje zejména na základních deskách počítačů a také v řídicích systémech regulátorů PWM v jednotkách pro konverzi napětí (například v počítačových zdrojích s napájecím systémem ATX) [4] [5] .

Parametry komparátoru

Parametry charakterizující kvalitu komparátorů lze rozdělit do tří skupin: přesnost, dynamika a výkon. Komparátor se vyznačuje stejnými parametry přesnosti jako operační zesilovač. Hlavním dynamickým parametrem komparátoru je doba sepnutí tp. Jedná se o časový interval od začátku porovnávání do okamžiku, kdy výstupní napětí komparátoru dosáhne opačné logické úrovně. Doba přepnutí se měří konstantním referenčním napětím přivedeným na jeden ze vstupů komparátoru a skokem vstupního napětí Uin přivedeným na druhý vstup. Tato doba závisí na přebytku Uin nad referenčním napětím. Dobu sepnutí komparátoru tp lze rozdělit na dvě složky: dobu zpoždění tg a dobu náběhu na práh logického obvodu tl. Příručky obvykle uvádějí spínací čas pro hodnotu rozdílu napětí 5 mV po kroku.

Poznámky

↑ Přepínač bez upevnění 3 polohy 5114.3709 . Staženo 3. 1. 2018. Archivováno z originálu 4. 1. 2018. (neurčitý)
↑ Přepínače jednopólové KN3 pro 3 polohy bez upevnění (ON)-OFF-(ON) . Staženo 3. 1. 2018. Archivováno z originálu 4. 1. 2018. (neurčitý)
↑ Jednoduchá zařízení na čipu K155LA3. Druhý obvod je indikátorem stavu výstupního napětí zdroje.
↑ Milovzorov O. V. Pankov I. G. Electronics - 2004
↑ Weisburd F. I., Panaev G. A., Saveliev B. N. Elektronická zařízení a zesilovače - 2005

Odkazy

Analogové komparátory, teorie provozu