Brauchen Sie einen analogen Komparator in Ihrem MCU?

Dieser Industriecomputer kann von einem MCU mit integriertem Analogkomparator profitieren.

Ich erinnere mich, als ich meinen ersten Operationsverstärker-Analogkomparator in meinen Elektronikkursen am College gebaut habe, unter Verwendung eines LM358 Operationsverstärkers. Solch einfache Schaltungen scheinen nicht immer praktischen Nutzen zu haben, bis man beginnt, sie in echte Systeme für seine Kunden zu integrieren. Ein Analogkomparator lässt sich leicht mit positiver Rückkopplung in einem Operationsverstärker-Schaltkreis aufbauen, aber man wird immer etwas Platz auf der Platine mit dem Operationsverstärker-IC und zusätzlichen Komponenten in der Rückkopplungsschleife belegen.

Was ist mit der Arbeit an einem Analogkomparator und Ihrem MCU? Ihr MCU bietet viele integrierte Funktionen und I/Os, und eine Möglichkeit, einen Komparatorausgang mit Ihrem MCU zu nutzen, ist die Verwendung eines der GPIOs. Eine bessere Option ist, einen MCU mit einem integrierten Komparatorschaltkreis zu finden, was die Notwendigkeit eines externen Operationsverstärker-Schaltkreises oder Komparator-ICs eliminiert. Hier erfahren Sie, wie diese Schaltkreise in Ihrem Design funktionieren und einige beliebte MCUs, die diese Funktionalität beinhalten.

Was ist ein Analogkomparator?

Ein Analogkomparator ist im Grunde ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler. Sobald die Eingangsspannung am Komparator einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wechselt das Gerät zwischen seinen niedrigen und hohen Spannungswerten. Ein Analogkomparator kann ein invertierendes oder nicht-invertierendes Gerät sein. Bei einem nicht-invertierenden Gerät löst die steigende Flanke des Eingangssignals den Wechsel des Komparatorausgangs von seinem niedrigen zu seinem hohen Spannungsausgangszustand aus und umgekehrt bei der fallenden Flanke. Das Verhalten ist bei einem invertierenden Komparator umgekehrt.

In einem Operationsverstärker-Analogkomparator-Schaltkreis wird normalerweise positive Rückkopplung verwendet, um sicherzustellen, dass der Ausgang sättigt, sobald die Eingangsspannung über die externe Referenzspannung wechselt. Mit anderen Worten, der Operationsverstärker wird bei steigenden oder fallenden Flanken des Eingangssignals von Schiene zu Schiene schwingen. Dies ist eine einfache Möglichkeit, einen 2-Zustands-Ausgang zu erstellen, der bei zwei Spannungsniveaus sättigt und gleichzeitig eine gewisse Immunität gegenüber niederfrequentem Rauschen bietet.

Analogkomparator-Ausgangsspannung mit und ohne Hysterese.

Um eine Immunität gegenüber niederfrequentem Rauschen zu bieten, können Analogkomparator-Schaltkreise eine gewisse Hysterese aufweisen, und die Rauschmarge hängt von der Größe des Hysteresefensters ab. Der Effekt der Hysterese auf das Schalten aufgrund einer Eingangsdreieckswelle ist oben gezeigt. Wenn das Eingangssignal einige Variationen oder Rauschen aufweist, wird jede Variation innerhalb des Hysteresefensters kein Schalten verursachen. In einem ADC mit mehreren Auflösungsbits wäre dies nicht der Fall; der kleinere Spannungsunterschied zwischen den Quantisierungsstufen hält 

Im Operationsverstärker-Schaltkreis wird die Größe des Hysterese-Fensters durch das Verhältnis des gesamten Widerstands in der Rückkopplungsschleife zum Widerstand zwischen der Referenzspannung und dem nicht-invertierenden Eingang bestimmt. Durch Einstellen dieser beiden Werte kann das Hysterese-Fenster des Komparators an eine bestimmte Anwendung und Rauschmarge angepasst werden. Hier zeigt ein MCU mit einem integrierten analogen Komparator seine Stärken, da es diese externen Widerstände nicht benötigt, um die Größe des Hysterese-Fensters oder die Schwellenspannungen einzustellen.

Vorteile eines analogen Komparators in Ihrem MCU

Ein direkt in Ihr MCU integrierter analoger Komparator bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Methoden zur Integration eines Komparators für eine analoge Schnittstelle mit Ihrem MCU.

• Vereinfachtes Umschalten. Wenn Sie nur den Unterschied zwischen 2 Spannungszuständen erkennen müssen, ist ein integrierter analoger Komparator eine bessere Option als die Verwendung eines externen Operationsverstärker-Schaltkreises und eines ADC-Kanals. Sie müssen keine numerische Schwelle und Umwandlung in Ihre Firmware programmieren, um abzuschätzen, wann die Eingangsspannung wirklich gesättigt ist.

• Programmierbare Hysterese. Die Größe des Hysterese-Fensters kann in der Firmware des MCU programmiert oder während des Betriebs dynamisch eingestellt werden. Wenn Sie möchten, können Sie das Hysterese-Fenster breiter als die Rauschmarge eines GPIO-Eingangs einstellen, was Ihnen eine sehr robuste Schaltung zur Erkennung von Schaltvorgängen bietet.

• Mehr externe Rauschimmunität. Die Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem MCU-Eingang schafft einen weiteren Punkt, an dem Rauschen in den Eingang eingespeist werden kann, was dann zu einer ungenauen Messung im ADC/GPIO des MCU führen könnte. Durch die Integration des analogen Komparators in das MCU haben Sie diesen zusätzlichen Punkt, an dem Rauschen in das System eindringen kann, eliminiert.

• Weniger Komponenten bei vergleichbaren Eingängen. Sie können Ihre BOM-Kosten reduzieren, ohne eine übermäßige Anzahl von Eingängen in Ihrem MCU zu verwenden, wenn Sie ein MCU mit einem integrierten analogen Komparator verwenden.

• Programmierbare Ausbreitungsverzögerung. Die Ausbreitungsverzögerung in einem analogen Komparator wird als die Zeit zwischen dem Moment definiert, in dem das Eingangssignal die Umschaltschwelle überquert, und dem Moment, in dem der Ausgangszustand zu ändern beginnt. Einige MCUs mit einem integrierten Komparator ermöglichen es, diese Menge zu programmieren. Durch Erhöhung der Ausbreitungsverzögerung verbraucht das MCU während des Umschaltens weniger Energie.

Beliebte MCUs mit integriertem analogen Komparator

Heutzutage finden Sie viele MCUs auf dem Markt von Top-Herstellern. Hier sind einige beliebte MCUs, die integrierte analoge Komparatorfunktionen sowie eine Reihe anderer Schnittstellen enthalten:

NXP Semiconductors, S08PB

ON Semiconductor’s S08PB MCU ist ein kleineres 8-Bit-Gerät für einfache eingebettete Computing-Anwendungen. Dieses spezielle Gerät enthält zwei analoge Komparatoren mit weniger Peripheriegeräten und kommt in einem kleineren Paket als viele andere beliebte MCUs, indem es unbenötigte Peripheriegeräte für einfachere analoge Systeme eliminiert. Einige nützliche Funktionen für analoge Systeme umfassen einen integrierten Operationsverstärker, einen hochpräzisen RTC-Zähler, zwei Flex-Timer-Modulatoren und einen 12-Kanal-ADC (12-Bit-Auflösung).

Blockschaltbild für den MC9S08PB8MTG MCU von NXP Semiconductors. Aus dem MC9S08PB8MTG Datenblatt.

STMicroelectronics, STM32 Serie

Die STM32 Serie von STMicroelectronics ist eine der beliebtesten MCU-Reihen, die in eingebetteten Produkten verwendet wird, die eine moderate Rechenleistung und eine hohe Busbreite erfordern. Diese Geräte arbeiten mit bis zu 72 MHz (Arm Cortex-M4 Kern) und einer 32-Bit-Busbreite. Sie verfügen auch über einen hochauflösenden ADC (12-Bit) und eine Reihe von digitalen Schnittstellen (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) mit einer hohen Anzahl von I/Os.

Texas Instruments, MSP430

Die MSP430-Familie von MCUs von Texas Instruments ist eine Reihe von 16-Bit-MCUs, die in verschiedenen Gehäusen erhältlich sind und einen analogen Komparator enthalten. Diese MCUs laufen mit bis zu 25 MHz und bieten Funktionen wie integrierten SRAM/FRAM, Flash-Speicher, ADC, SPI/UART und andere Schnittstellen und Funktionen.

Funktionsblockdiagramm für den MSP430FR5727 MCU von Texas Instruments. Aus dem MSP430FR5727 Datenblatt.

Weitere Komponenten zur Unterstützung Ihrer Mixed-Signal-Designs

Ihr MCU sollte der Ausgangspunkt für ein Mixed-Signal-Design sein, da er mit allen anderen digitalen und analogen Komponenten in Ihrem System interagieren muss. Einige andere Komponenten, die Ihr System benötigen wird, umfassen:

• Passive Bauelemente für unterstützende Schaltkreise

• Anzeigemodule für HMI

• DC-DC-Wandler für die Spannungsregelung

• Drahtlose und Netzwerkkomponenten

Wenn Sie einen MCU oder einen anderen Prozessor mit einem integrierten analogen Komparator auswählen müssen, finden Sie alle benötigten Teile mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen auf Octopart. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugang zu einem vollständigen Satz von Distributordaten und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Sehen Sie sich unsere Seite mit eingebetteten Prozessoren und Controllern an, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

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