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您的 MCU 中需要模擬比較器嗎？
您的 MCU 中需要模擬比較器嗎？
我記得電子課程中使用 LM358 運(yùn)算放大器構(gòu)建了第一個(gè)運(yùn)算放大器模擬比較器。在您開(kāi)始為您的客戶(hù)將它們?cè)O(shè)計(jì)成實(shí)際系統(tǒng)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(yùn)算放大器電路中的正反饋很容易構(gòu)建模擬比較器，但是您總是會(huì)在帶有運(yùn)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(yùn)算放大器電路或比較器 IC。以下是這些電路在您的設(shè)計(jì)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(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換狀態(tài)。模擬比較器可以是反相或非反相設(shè)備。在同相器件上，輸入信號(hào)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(yùn)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。換句話說(shuō)，運(yùn)算放大器將在輸入信號(hào)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(duì)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(duì)開(kāi)關(guān)的影響如上所示。如果輸入信號(hào)有一些變化或噪聲，滯后窗口內(nèi)的任何變化都不會(huì)導(dǎo)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(yùn)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(shè)置這兩個(gè)值，可以根據(jù)特定應(yīng)用和噪聲容限調(diào)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?yàn)樗恍枰@些外部電阻器來(lái)設(shè)置遲滯窗口或閾值電壓的大小。
MCU 中模擬比較器的優(yōu)勢(shì)
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(shì)。
簡(jiǎn)化切換。如果您只需要檢測(cè) 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(yùn)算放大器電路和 ADC 通道更好的選擇。您無(wú)需編程一些數(shù)值閾值并將其轉(zhuǎn)換為固件來(lái)估計(jì)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(shè)置。如果您愿意，您可以將遲滯窗口設(shè)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(qiáng)大的電路來(lái)檢測(cè)開(kāi)關(guān)事件。
更多的外部噪聲抗擾度。運(yùn)算放大器輸出和 MCU 輸入之間的饋線會(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(zhǔn)確的讀數(shù)。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(tǒng)的額外點(diǎn)。
具有可比輸入的更少組件。當(dāng)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(shù)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(hào)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(duì)該數(shù)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(jí)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(jì)算應(yīng)用。該特定器件包括兩個(gè)外圍設(shè)備較少的模擬比較器，并且通過(guò)消除簡(jiǎn)單模擬系統(tǒng)不需要的外圍設(shè)備，它的封裝比許多其他流行的 MCU 更小。模擬系統(tǒng)的一些有用功能包括集成運(yùn)算放大器、高精度 RTC 計(jì)數(shù)器、兩個(gè)靈活定時(shí)器調(diào)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寬度的嵌入式產(chǎn)品。這些器件以 32 位總線寬度運(yùn)行高達(dá) 72 MHz（Arm Cortex-M4 內(nèi)核）。它們還具有高分辨率 ADC（12 位）和一系列具有高 I/O 數(shù)量的數(shù)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(yùn)行頻率高達(dá) 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(hào)設(shè)計(jì)的其他組件
您的 MCU 應(yīng)該是混合信號(hào)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，因?yàn)樗枰c您系統(tǒng)中的所有其他數(shù)字和模擬組件連接。您的系統(tǒng)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(diào)節(jié)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器
無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)組件