“مقارن الجهد هو جهاز إلكتروني يستخدم لمقارنة الجهد الذي يقارن جهد الدخل بجهد مرجعي معروف ويغير حالة الخرج اعتمادًا على ما إذا كان الإدخال أعلى أو أسفل المرجع. تفي هذه الوظيفة بمتطلبات الكشف عن تقاطعات العتبة والأصفار وما إذا كان اتساع الإشارة داخل نطاق السعة أو خارجه.
“
المؤلف: Art Pini
عندما يرغب المصممون في جمع المزيد من البيانات على حافة إنترنت الأشياء (IoT) وإنترنت الأشياء الصناعي (IIoT) والذكاء الاصطناعي (AI) وتطبيقات التعلم الآلي (ML) ، فإنهم يحتاجون إلى طريقة بسيطة لاكتشاف الجهد والقياسات مثل التيار أو درجة الحرارة أو الضغط لتحديد ما إذا كان أعلى أو أقل من العتبة. وبالمثل ، غالبًا ما يكون من الضروري معرفة ما إذا كانت الكمية التي يتم قياسها داخل النطاق العددي أو خارجه. من الصعب إجراء هذا التحديد على الحافة في وجود إشارات ضوضاء وتداخل ، ولكن الاختيار الصحيح واستخدام مقارنات الجهد يمكن أن يساعد في تحسين الموقف.
مقارن الجهد هو جهاز إلكتروني يستخدم لمقارنة الجهد الذي يقارن جهد الدخل بجهد مرجعي معروف ويغير حالة الخرج اعتمادًا على ما إذا كان الإدخال أعلى أو أسفل المرجع. تفي هذه الوظيفة بمتطلبات الكشف عن تقاطعات العتبة والأصفار وما إذا كان اتساع الإشارة داخل نطاق السعة أو خارجه.
ستعرض هذه المقالة الاستخدام والخصائص ومعايير الاختيار الرئيسية لمقارنات الجهد. تناقش هذه المقالة كيفية استخدام مقارنات الجهد لاكتشاف العتبات والتقاطعات الصفرية ، بالإضافة إلى تطبيقات استعادة الساعة ومذبذب الاسترخاء ، باستخدام أجهزة Texas Instruments كأمثلة.
ما هو مقارن الجهد؟
مقارن الجهد هو جهاز إلكتروني يخرج حالة منطقية للإشارة إلى أي من المدخلين له جهد أعلى (الشكل 1).
الشكل 1: توضح محاكاة TINA-TI مبدأ العمل الأساسي للمقارن: يتم تطبيق موجة جيبية على المدخلات غير المقلوبة للمقارن ، بينما يتم توصيل الإدخال المقلوب بمرجع إلى صفر فولت (الأرض). (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
المقارنة المستخدمة هي المقارن الفردي TLV3201AQDCKRQ1 من شركة Texas Instruments ، والتي لديها ناتج دفع وسحب. مثل كل المقارنات ، يحتوي هذا الجهاز على مدخلين. المدخلات السالبة (-) المقلوبة والمدخلات الإيجابية (+) غير المقلوبة. إدخال المقارنة مشابه جدًا لإدخال المرجع أمبير. الفرق الرئيسي هو أن ناتج المقارنة هو حالة منطقية رقمية وليس جهدًا تناظريًا. في الشكل 1 ، الإدخال عبارة عن موجة جيبية 1 ميغا هرتز (MHz) بسعة 200 ملي فولت (mV). عندما يكون الجهد عند المدخلات غير المقلوبة أكبر من الجهد عند المدخل المقلوب ، سيكون الخرج في حالة عالية ، أي 2.5 فولت. عندما يكون الجهد عند المدخل غير المقلوب أقل من الجهد عند المدخل المقلوب ، ينتقل الخرج إلى حالة منخفضة ، وهي -2.5 فولت. يحتوي المقارنة على خرج من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية ، لذلك يمكن تمديد حالة منطق الإخراج إلى مستويات العرض. في هذا المثال ، يتم استخدام إمدادات متناظرة 2.5 فولت موجبة وسالبة وتنعكس في تأرجح جهد الخرج.
طريقة واحدة للتفكير في المقارنة هي كمحول وحدة من التناظرية إلى الرقمية (ADC). إذا تم تكوينه لتغيير الحالة عند عبور الصفر ، فإن ناتجه هو في الأساس بت الإشارة.
وقت استجابة هذا المقارنة هو 40 نانوثانية (ns) ، المحدد كسرعة انتشار أو تأخير. هذا هو الوقت من عبور العتبة عند الإدخال حتى تتغير حالة الإخراج. تؤثر سرعة الانتشار على سرعة انتقال الحالة للمقارن وهي في الواقع مواصفات مرتبطة بالنطاق الترددي. يحتوي TLV3201 أيضًا على تباطؤ جهد مدمج يبلغ 1.2 مللي فولت ، والذي يمكن استخدامه لإلغاء الضوضاء عند إدخال الإشارة.
التباطؤ والضوضاء
إذا كانت هناك ضوضاء أو إشارات زائفة عند دخل المقارنة ، فقد تحدث تقاطعات عتبة متعددة وقد ينتقل الإخراج عدة مرات مع عبور العتبة (الشكل 2).
الشكل 2: يمكن أن يتسبب وجود ضوضاء عند إدخال الإشارة في انتقالات متعددة عند خرج المقارنة حيث تؤدي الضوضاء بشكل متكرر إلى تأرجح الإدخال لأعلى ولأسفل حول العتبة. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
يتمثل الحل لهذا الانتقال غير المرغوب فيه في إضافة تباطؤ السعة إلى دائرة المقارنة. يتسبب التباطؤ في أن يحتفظ المقارن بحالته بعد أن يتجاوز ناتجه الحد الأدنى حتى يتغير سعة الإدخال بمقدار ثابت. يتم تحقيق ذلك من خلال تطبيق ردود فعل إيجابية من ناتج المقارنة إلى مدخلات المقارنة ، والتي يمكن أن تحول العتبة بزيادات صغيرة (الشكل 3).
الشكل 3: يطبق التخلف ردود فعل إيجابية على المدخلات المرجعية لتغيير العتبة بزيادات ثابتة. وبهذه الطريقة ، فإن تغييرات السعة الصغيرة التي تحددها إشارة الإدخال لا تغير الخرج. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
يقوم المقاوم R3 بتغذية الإخراج مرة أخرى إلى الإدخال المرجعي بحيث يتم إزاحة المستوى المرجعي بقيمة صغيرة تحددها قيم المقاومات R1 و R2 و R3. ينتج عن هذا تباطؤ 400 مللي فولت لقيمة مقاومة معينة ، وتغيير العتبة بحيث لا تتغير حالة الإخراج حتى يتجاوز الإدخال حجم التباطؤ. والنتيجة هي أن الناتج يخضع لعملية انتقال واحدة عند عبور العتبة.
تستخدم بعض الملاحظات على الدائرة للمقارنة مع الدائرة الموضحة في الشكل 1. أولاً ، تم تبديل المدخلات المقلوبة وغير المقلوبة ، مما تسبب في انعكاس الناتج منطقيًا. عندما تكون الإشارة أقل من العتبة ، يكون الناتج منطقيًا مرتفعًا. تُستخدم ميزة الدائرة هذه في الدوائر التي تكتشف متى تكون القيمة داخل أو خارج نطاق القيم. يعمل TLV3201 على مصدر 5 فولت واحد بدلاً من 2.5 فولت مزدوج كما هو موضح في الشكل 1. لذلك ، يتم الحصول على الجهد المرجعي من خلال مقاومات مقسم الجهد R1 و R2 ، وتحديداً جهد الوضع المشترك 2.5V عند الإدخال. تنحاز إشارة الإدخال أيضًا إلى هذا الوضع الشائع الجهد. ذروة الجهد لموجة المثلث هي 2 فولت والجهد التحيز 2.5 فولت. يعد تكوين الدائرة هذا اختيارًا شائعًا.
كشف القيم الموجودة داخل أو خارج النافذة
يمكن لمقارن الجهد الفردي اكتشاف ما إذا كان جهد الدخل أعلى أو أقل من عتبة مرجعية. تحديد ما إذا كان جهد الدخل بين حدين (يسمى النافذة) يتطلب استخدام مقارنين ، واحد لكل حد (الشكل 4).
الشكل 4: يستخدم تكوين دائرة نافذة المقارنة مقارن جهد مزدوج لتحديد ما إذا كان الإدخال بين مستويين من الجهد (VL و VH). (رصيد الصورة: Texas Instruments)
تستخدم دائرة النافذة المعروضة مقارن الجهد المزدوج TLV6710DDCR من شركة Texas Instruments. يحتوي TLV6710 على مقارنات عالية الدقة لتطبيقات الجهد العالي. يمكن أن يتراوح جهد التغذية بين 1.8 و 36 فولت. يحتوي الجهاز على مرجع داخلي للتيار المستمر بقدرة 400 مللي فولت. كما هو موضح ، فإن مخرجات المقارنة عبارة عن اتصالات مفتوحة التصريف يمكن ربطها منطقيًا ببعضها البعض عن طريق توصيل مخرجاتها معًا من خلال مقاوم سحب مشترك. المقارنات سلكية بحيث يتم تطبيق الجهد المرجعي على الإدخال المقلوب لأحد المقارنات (المقارنة أ) ويتم تطبيق الإدخال غير المقلوب على المقارنة الأخرى (المقارنة ب). يتم تطبيق جهد الدخل من خلال مقسم جهد يتكون من مقاومات R1 و R2 و R3 ، والتي تحدد جهد الحد الأدنى عند 3.3 فولت والجهد الأعلى عند 4.1 فولت. عندما يكون مدخل VMON داخل النافذة ، يكون خرج المقارنة مرتفعًا (3.3 فولت). يشير المقارن أ إلى أن جهد الدخل أقل من 4.1 فولت ويشير المقارنة ب إلى أن جهد الدخل يزيد عن 3.3 فولت. يتميز TLV6710 بمعدل تباطؤ داخلي للجهد يبلغ 5.5 مللي فولت ، مما يساعد على رفض الضوضاء ومواطن الخلل الصغيرة.
عادةً ما يكون تأخير الانتشار لهذا المقارنة 9.9 ميكروثانية (μs) للانتقالات من أعلى إلى منخفض و 28.1 ميكروثانية للتحولات من منخفضة إلى عالية. يرجع هذا الاختلاف إلى تكوين خرج الصرف المفتوح. الانتقال من أعلى إلى منخفض هو عبارة عن عملية سحب لأسفل نشطة من خلال إخراج FET ، والانتقال من المنخفض إلى العالي هو سحب سلبي من خلال المقاوم ، والذي يستغرق وقتًا أطول. يستخدم هذا المقارنة في تطبيقات مراقبة الجهد ولا يتطلب تأخيرات انتشار منخفضة للغاية.
تطبيق النافذة
يمكن استخدام النافذة في الروبوتات للتحكم في اتجاه حركة الروبوت بالضوء واثنين من الخلايا الضوئية CDS. على سبيل المثال ، تغير الخلايا الكهروضوئية كبريتيد الكادميوم (CDS) مقاومتها تحت الضوء ، بمقاومة أعلى في الظلام ومقاومة أقل في الضوء. توضح عمليات محاكاة TINA-TI هذا المبدأ باستخدام مقارن مزدوج من Texas Instruments LM393BIPWR (الشكل 5).
الشكل 5: محاكاة لدائرة التحكم في توجيه الروبوت باستخدام التحكم في المحرك المزدوج المسمى “يسار” و “يمين”. عندما يتم تطبيق 5 فولت على المحرك ، يتحرك المحرك للأمام ؛ عندما يتم تطبيق 0 فولت ، فإنه يتحرك في الاتجاه العكسي. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics) (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
يعتبر جهاز المقارنة LM393B مقارنة مزدوجة بإخراج جامع مفتوح يمكن أن يعمل من جهد إمداد يتراوح بين 3 و 36 فولت. في هذه الدائرة ، يوفر كل قسم إشارة تحكم يتم تحديد محرك من كلا المحركين على أنه محرك يسار أو يمين.
تُستخدم مقاييس الجهد لمحاكاة خليتين ضوئيتين CDS. يعني مقياس الجهد المضبوط على 0٪ إلى 40٪ أن الخلية الكهروضوئية اليمنى مضاءة وأن الخلية الكهروضوئية اليسرى مضاءة. يعني الإعداد من 60٪ إلى 100٪ أن الضوء موجود بشكل أساسي على الخلية الكهروضوئية اليسرى ، بينما تكون الخلية الكهروضوئية اليمنى في الظلام. تمت إضاءة كلتا الخلايا الضوئية من 40٪ إلى 60٪. عندما تكون إشارة التحكم في المحرك المرسلة إلى أي محرك +5 فولت ، فإن المحرك يدور في الاتجاه الأمامي. إذا كانت إشارة التحكم في المحرك 0 فولت ، فإن المحرك يدور في الاتجاه العكسي.
عندما تضيء كلتا الخلايا الضوئية ، يندفع كلا المحركين للأمام ، مما يتسبب في تحرك الروبوت للأمام في خط مستقيم. عندما يكون مقياس الجهد بين 0٪ و 40٪ ، يعمل المحرك الأيسر للأمام وينعكس المحرك الأيمن ، يقود الروبوت إلى اليمين. في منطقة 60٪ إلى 100٪ ، يدور المحرك الأيمن للأمام وينعكس المحرك الأيسر ، ويتحرك الروبوت إلى اليسار.
يأتي المستوى المرجعي للمقارنة من مقسم الجهد ، والجهد المرجعي لوحدة التحكم اليمنى مضبوط على 2 فولت (40٪ من مقياس الجهد) والجهد المرجعي لوحدة التحكم اليسرى مضبوط على 3 فولت (60٪ من مقياس الجهد) ).
مذبذب الاسترخاء
باستخدام ردود الفعل الإيجابية والسلبية ، يمكن تكوين المقارنة كمذبذب استرخاء (الشكل 6).
الشكل 6: يمكن إنشاء مذبذب استرخاء عن طريق إضافة مكثف إلى أحد المدخلات وتطبيق التغذية الراجعة عليه. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics) (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
يمكن استخدام الدائرة الموضحة في الشكل 6 لإنشاء مذبذب شد الأسنان (المعروف أيضًا باسم الهزاز المتعدد غير المستقر) مع خرج موجة مربعة. يتم تحديد تردد التذبذب بواسطة ثابت وقت مكثف المقاومة R1 و C1. عندما يتم تفريغ C1 مبدئيًا (0 فولت) ، يكون جهد الدخل العكسي أقل من الجهد المرجعي عند الإدخال غير المقلوب. يُجبر الخرج على 5 فولت. يتم شحن المكثف C1 إلى الجهد المرجعي خلال R1 ، وعند هذه النقطة ينخفض الإخراج إلى 0 فولت. يتم تفريغ C1 خلال R1 حتى ينخفض إلى ما دون الجهد المرجعي ، ثم يكرر الدورة. تمت إضافة التغذية المرتدة الهستيرية (الإيجابية) إلى مرجع الجهد. عندما يكون الخرج 0 فولت ، يكون الجهد المرجعي 2.5 فولت. عندما يكون الخرج 5 فولت ، سيزداد الجهد المرجعي بنحو 1.7 فولت ، ليصل إلى 4.2 فولت. كما هو موضح ، تُظهر الاستجابة العابرة أشكال موجات الجهد الناتج (Vo) والمكثف (Vc).
الحد الأقصى لتردد التذبذب محدود بتأخير انتشار المقارنة. في هذا المثال ، تم استخدام Texas Instruments TLV3201 مع تأخير انتشار 40 نانوثانية لبناء مذبذب 10 ميجاهرتز. هذا التردد قريب جدًا من القيمة القصوى لهذا المقارنة.
ترميم وترميم الساعة
تعاني إشارات الساعة التي تنتقل عبر اللوحات الخلفية والكابلات من تدهور الأداء بسبب قيود النطاق الترددي والتداخل بين الرموز (ISI) والضوضاء والانعكاسات والتداخل. يمكن استخدام أداة المقارنة لاستعادة إشارة الساعة واستعادتها إلى شكل أكثر وضوحًا (الشكل 7).
الشكل 7: يستخدم مقارن مع تأخير انتشار 7 نانوثانية والتباطؤ الداخلي لاستعادة ساعة 20 ميغا هرتز. (رصيد الصورة: Digi-Key Electronics)
في هذا النوع من التطبيقات ، يكون تأخير الانتشار أكثر أهمية. الحد الأقصى للتردد الذي يمكن للمقارن تتبعه هو دالة لتأخير الانتشار ووقت انتقال الخرج:
فورمولا 1
حيث: fMAX هو أقصى تردد تشغيل
tRise هو وقت ارتفاع الإنتاج
tFall هو وقت سقوط الإخراج
tPD LH هو تأخير الانتشار من المنخفض إلى العالي
tPD HL هو تأخير الانتشار من الأعلى إلى الأدنى
تعمل Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB من مصدر 5 فولت ، ولها وقت صعود يبلغ 1.3 نانوثانية ، ووقت هبوط يبلغ 1.25 نانوثانية ، وتأخير انتشار نموذجي قدره 7 نانو ثانية لكلا اتجاهي التحويل. ينتج عن هذا أقصى تردد تشغيل يبلغ 60.4 ميجاهرتز. حتى مع إمداد 2.7 فولت ، وتأخير انتشار أطول ووقت انتقال ، يبلغ الحد الأقصى لمعدل الانتقال لهذا المقارن حوالي 35 ميجاهرتز ، وهو ما يكفي لساعة 20 ميجاهرتز.
بالإضافة إلى تأخير الانتشار المنخفض للغاية ، تدمج LMV7219 مرحلة إخراج دفع وسحب من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية ، مما يعني أوقات صعود وهبوط قصيرة وموحدة. يتميز الجهاز أيضًا بقدرة 7.5 مللي فولت من التخلفية الداخلية لتقليل تأثيرات الضوضاء.
ختاماً
المقارنات هي الجسر بين العالمين التناظري والرقمي ، سواء من أجل تسوية وإطار إشارة edge IIoT أو AI أو ML ، للكشف عن الصفر أو استعادة الساعة أو كمذبذبات ، تعد مقارنات الجهد أداة مفيدة بشكل خاص.