您的 MCU 中需要模擬比較器嗎？

2021-06-24

您的 MCU 中需要模擬比較器嗎？

我記得電子課程中使用 LM358 運算放大器構建了第一個(gè)運算放大器模擬比較器。在您開(kāi)始為您的客戶(hù)將它們設計成實(shí)際系統之前，這種簡(jiǎn)單的電路似乎并不總是具有實(shí)際用途。使用運算放大器電路中的正反饋很容易構建模擬比較器，但是您總是會(huì )在帶有運算放大器 IC 和反饋回路中的其他組件的電路板上占用一些空間。

使用模擬比較器和 MCU 怎么樣？您的 MCU 提供了大量集成功能和 I/O，通過(guò) MCU 接受比較器輸出的一種選擇是使用 GPIO 之一。更好的選擇是找到帶有集成比較器電路的 MCU，這樣就不需要外部運算放大器電路或比較器 IC。以下是這些電路在您的設計中的工作原理以及一些包含此功能的流行 MCU。

什么是模擬比較器？

模擬比較器基本上是一個(gè) 1 位模數轉換器。一旦輸入到比較器的電壓超過(guò)某個(gè)閾值，器件將在其低電壓值和高電壓值之間轉換狀態(tài)。模擬比較器可以是反相或非反相設備。在同相器件上，輸入信號的上升沿將觸發(fā)比較器輸出從低電壓輸出狀態(tài)切換到高電壓輸出狀態(tài)，在下降沿反之亦然。反相比較器的行為相反。

在運算放大器模擬比較器電路中，通常使用正反饋來(lái)確保一旦輸入電壓切換到外部參考電壓以上時(shí)輸出飽和。換句話(huà)說(shuō)，運算放大器將在輸入信號的上升沿或下降沿進(jìn)行軌到軌擺動(dòng)。這是一種創(chuàng )建雙態(tài)輸出的簡(jiǎn)單方法，該輸出在兩個(gè)電壓電平下飽和，同時(shí)還對低電平噪聲具有一定的免疫力。

帶和不帶遲滯的模擬比較器輸出電壓。

為了提供低水平的抗噪能力，模擬比較器電路可以有一定的滯后，而噪聲容限將取決于滯后窗口的大小。由于輸入三角波，滯后對開(kāi)關(guān)的影響如上所示。如果輸入信號有一些變化或噪聲，滯后窗口內的任何變化都不會(huì )導致切換。在具有多位分辨率的ADC 中，情況并非如此；量化電平之間的較小電壓差保持 

在運算放大器電路中，遲滯窗口的大小由反饋回路中的總電阻與參考電壓和同相輸入之間的電阻之比決定。通過(guò)設置這兩個(gè)值，可以根據特定應用和噪聲容限調整比較器的遲滯窗口。這是具有集成模擬比較器的 MCU 真正發(fā)揮作用的地方，因為它不需要這些外部電阻器來(lái)設置遲滯窗口或閾值電壓的大小。

MCU 中模擬比較器的優(yōu)勢

與將模擬接口的比較器與 MCU 集成的其他方法相比，直接集成到 MCU 中的模擬比較器具有許多優(yōu)勢。

簡(jiǎn)化切換。如果您只需要檢測 2 種電壓狀態(tài)之間的差異，集成模擬比較器是比使用外部運算放大器電路和 ADC 通道更好的選擇。您無(wú)需編程一些數值閾值并將其轉換為固件來(lái)估計輸入電壓何時(shí)真正飽和。

可編程滯后。遲滯窗口的大小可以在 MCU 的固件中編程，也可以在操作期間動(dòng)態(tài)設置。如果您愿意，您可以將遲滯窗口設置為比 GPIO 輸入的噪聲容限更寬，從而為您提供一個(gè)非常強大的電路來(lái)檢測開(kāi)關(guān)事件。

更多的外部噪聲抗擾度。運算放大器輸出和 MCU 輸入之間的饋線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生另一個(gè)點(diǎn)，在該點(diǎn)噪聲可以注入輸入，然后可能會(huì )在 MCU 的 ADC/GPIO 中產(chǎn)生不準確的讀數。通過(guò)將模擬比較器集成到 MCU 中，您消除了噪聲可能進(jìn)入系統的額外點(diǎn)。

具有可比輸入的更少組件。當您使用帶有集成模擬比較器的 MCU 時(shí)，您可以降低 BOM 成本，而無(wú)需在 MCU 中使用過(guò)多數量的輸入。

可編程傳播延遲。模擬比較器中的傳播延遲定義為輸入信號越過(guò)開(kāi)關(guān)閾值的時(shí)刻與輸出狀態(tài)開(kāi)始改變的時(shí)刻之間的時(shí)間。一些帶有集成比較器的 MCU 允許對該數量進(jìn)行編程。通過(guò)增加傳播延遲，MCU 將在切換期間消耗更少的功率。

帶有集成模擬比較器的流行 MCU

如今，您會(huì )在市場(chǎng)上找到大量來(lái)自頂級制造商的 MCU。以下是一些流行的 MCU，包括集成模擬比較器功能以及一系列其他接口：

S08PB

 S08PB MCU是一款更小的 8 位器件，適用于簡(jiǎn)單的嵌入式計算應用。該特定器件包括兩個(gè)外圍設備較少的模擬比較器，并且通過(guò)消除簡(jiǎn)單模擬系統不需要的外圍設備，它的封裝比許多其他流行的 MCU 更小。模擬系統的一些有用功能包括集成運算放大器、高精度 RTC 計數器、兩個(gè)靈活定時(shí)器調制器和 12 通道 ADC（12 位分辨率）。

STM32系列

STM32 系列是最流行的 MCU系列之一，用于需要中等處理能力和高總線(xiàn)寬度的嵌入式產(chǎn)品。這些器件以 32 位總線(xiàn)寬度運行高達 72 MHz（Arm Cortex-M4 內核）。它們還具有高分辨率 ADC（12 位）和一系列具有高 I/O 數量的數字接口（CAN、I2C、I2S、IrDA、LIN、SPI、UART、USART、USB）。

MSP430

MSP430 MCU 系列是一系列 16 位 MCU，采用各種封裝并包括一個(gè)模擬比較器。這些 MCU 運行頻率高達 25 MHz，包括集成 SRAM/FRAM、閃存、ADC、SPI/UART 以及其他接口和功能等特性。

支持您的混合信號設計的其他組件

您的 MCU 應該是混合信號設計的起點(diǎn)，因為它需要與您系統中的所有其他數字和模擬組件連接。您的系統需要的其他一些組件包括：

支持電路的無(wú)源器件

HMI 顯示模塊

用于功率調節的 DC-DC 轉換器

無(wú)線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )組件