Wspólnie projektujemy: Częstościomierz, część 11

Aby poprawnie zliczyć impulsy w częstościomierzu, wejściowy sygnał musi zostać odpowiednio przetworzony do standardów wymaganych przez układy cyfrowe. Tor wejściowy finalnie musi dostarczyć sygnał cyfrowy, więc kolejna część dotyczy takiego „dyskryminatora”.

Niezbędną operacją w torze wejściowym jest uzyskanie sygnału w standardach cyfrowych, odpowiadającego wejściowemu sygnałowi analogowemu. Tu naturalną koncepcją jaka pojawia się w umyśle, jest zastosowanie komparatora napięciowego, którego zadaniem jest wypracowanie sygnału kompatybilnego z wymaganiami układów cyfrowych. Komparator analogowy ma dwa wejścia dla napięciowego sygnału analogowego, oznaczone jako plus i minus (analogicznie jak we wzmacniaczach operacyjnych: wejście nieodwracające oraz odwracające). W zależności od wartości napięć podanych na te wejścia daje on sygnał wyjściowy odzwierciedlający określoną relację (mniejsze, większe) między dwoma sygnałami wejściowymi. Na jedno wejście można podać stały sygnał reprezentujący próg przerzutu, na drugi napięcie uzyskane z toru analogowego przetwarzania sygnału wejściowego. Ta prosta koncepcja niesie ze sobą problemy. Pierwszym z nich (podobnie jak we wzmacniaczach operacyjnych) jest maksymalna częstotliwość sygnału, jaka może być przetwarzana. Drugim jest sytuacja, gdy przetwarzany sygnał wykracza poza dopuszczalny zakres napięciowy.

Szybkość komparatora

Popularne komparatory nie spełniają wymogu dotyczącego maksymalnej częstotliwości przetwarzanego sygnału. O zjawisku można się przekonać realizując prostą symulację działania komparatora. Naturalnie nasuwającym się rozwiązaniem jest schemat pokazany na rysunku 1. Jest to podstawowa aplikacja komparatora z zasilaniem symetrycznym (+5/–5 V) z generatorem sygnału sin podanym na wejście odwracające komparatora. Na drugim wejściu jest stały sygnał ustalony przez rezystory R1 oraz R2 (około 0 V mierzone w stosunku do masy).

W pierwszym kroku niech częstotliwość sygnału wejściowego wynosi 1 kHz. Przy takich ustawieniach symulacja dała wynik pokazany na rysunku 2 (użyty do symulacji układ nie odbiega od popularnych komparatorów jak choćby LM393).

W tym przebiegu nie ma nic „niepokojącego”. Odpowiedź układu zmienia się znacząco przy zmianie częstotliwości sygnału wymuszającego, jak pokazuje rysunek 3. Sygnał wymuszający o częstotliwości 1 MHz jest „za szybki” dla tego komparatora. Ten prosty przykład unaocznia, że wartość parametru odzwierciedlającego dynamikę układu ma tu kluczowe znaczenie.

Przy okazji unaocznia się tu dodatkowe zjawisko, które finalnie również może być źródłem problemów do rozwiązania: przebieg napięcia na wyjściu komparatora przyjmuje wartości od bliskiej napięciu na ujemnej końcówce zasilającej do napięcia na dodatniej końcówce zasilającej (przy symetrycznym napięciu zasilającym). Takiego sygnału nie można podać bezpośrednio na układy cyfrowe, gdyż one nie tolerują ujemnych napięć na swoich wejściach. Możliwym rozwiązaniem jest zasilenie komparatora napięciem niesymetrycznym (0 V…+5 V), jednak to jedynie zmienia „położenie problemu” – komparator zasilany w ten sposób nie może być wysterowany sygnałem przyjmującym wartości ujemne napięcia, a takie daje tor analogowy zasilany symetrycznie.

Szybkie komparatory

W swojej szufladzie mam dwa różne układy komparatorów napięcia z przymiotnikiem „szybkie”. Są to TS3021 (rysunek 4) oraz LMV7219 (rysunek 5).

Oba są w tej samej obudowie oraz mają identycznie rozmieszczone wyprowadzenia. Oba układy są „mało przyjazne” do eksperymentów i by nimi się posiłkować zostały przylutowane do „płytek adapterów” (fotografia 6), które łatwo już integrują się z płytką stykową.

Przed ich potencjalnym wykorzystaniem warto sprawdzić je w działaniu. Stworzyłem proste środowisko do eksperymentów, które pozwoli mi określić ich przydatność w budowanej konstrukcji. (…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w czerwcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 6/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 6/2025 znajduje się tutaj.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu zawsze trzeba wpisać, który numer lub numery ZE mamy wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 6/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.