Avez-vous besoin d'un comparateur analogique dans votre MCU ?

Cet ordinateur industriel peut bénéficier d'un MCU avec un comparateur analogique intégré.

Je me souviens quand j'ai construit mon premier comparateur analogique à ampli op dans mes cours d'électronique à l'université en utilisant un ampli op LM358. De tels circuits simples ne semblent pas toujours avoir une utilité pratique jusqu'à ce que vous commenciez à les concevoir dans de vrais systèmes pour vos clients. Un comparateur analogique est facile à construire avec une rétroaction positive dans un circuit d'ampli op, mais vous occuperez toujours un peu d'espace sur la carte avec l'IC d'ampli op et les composants supplémentaires dans la boucle de rétroaction.

Et si vous travailliez avec un comparateur analogique et votre MCU ? Votre MCU offre de nombreuses fonctions intégrées et des E/S, et une option pour accepter une sortie de comparateur avec votre MCU est d'utiliser l'un des GPIOs. Une meilleure option est de trouver un MCU avec un circuit de comparateur intégré, ce qui éliminera le besoin d'un circuit d'ampli op externe ou d'un IC de comparateur. Voici comment ces circuits fonctionnent dans votre conception et certains MCU populaires qui incluent cette fonctionnalité.

Qu'est-ce qu'un Comparateur Analogique ?

Un comparateur analogique est essentiellement un convertisseur analogique-numérique à 1 bit. Une fois que la tension d'entrée dans le comparateur dépasse un certain seuil, l'appareil changera d'état entre ses valeurs de tension basse et haute. Un comparateur analogique peut être un dispositif inverseur ou non inverseur. Sur un dispositif non inverseur, le front montant du signal d'entrée déclenchera la sortie du comparateur pour passer de ses états de sortie de tension basse à haute, et vice versa sur le front descendant. Le comportement est inversé pour un comparateur inverseur.

Dans un circuit de comparateur analogique à ampli op, une rétroaction positive est normalement utilisée pour assurer que la sortie sature une fois que la tension d'entrée bascule au-dessus de la tension de référence externe. En d'autres termes, l'ampli op basculera de rail à rail sur les fronts montants ou descendants du signal d'entrée. C'est une manière simple de créer une sortie à 2 états qui sature à deux niveaux de tension tout en offrant également une certaine immunité au bruit de faible niveau.

Tension de sortie du comparateur analogique avec et sans hystérésis.

Pour offrir une immunité au bruit de faible niveau, les circuits de comparateur analogique peuvent avoir une certaine hystérésis, et la marge de bruit dépendra de la taille de la fenêtre d'hystérésis. L'effet de l'hystérésis sur la commutation due à une onde triangulaire d'entrée est montré ci-dessus. Si le signal d'entrée avait des variations ou du bruit, toute variation à l'intérieur de la fenêtre d'hystérésis ne provoquerait pas de commutation. Dans un ADC avec plusieurs bits de résolution, ce ne serait pas le cas ; la plus petite différence de tension entre les niveaux de quantification maintient 

Dans le circuit d'amplificateur opérationnel, la taille de la fenêtre d'hystérésis est déterminée par le rapport de la résistance totale dans la boucle de rétroaction à la résistance entre la tension de référence et l'entrée non-inverseuse. En fixant ces deux valeurs, la fenêtre d'hystérésis du comparateur peut être ajustée à une application particulière et à une marge de bruit. C'est là qu'un MCU avec un comparateur analogique intégré se distingue vraiment car il ne nécessite pas ces résistances externes pour définir la taille de la fenêtre d'hystérésis ou les tensions de seuil.

Avantages d'un Comparateur Analogique dans Votre MCU

Un comparateur analogique intégré directement dans votre MCU offre plusieurs avantages par rapport à d'autres méthodes d'intégration d'un comparateur pour une interface analogique avec votre MCU.

• Commutation simplifiée. Si vous avez juste besoin de détecter la différence entre 2 états de tension, un comparateur analogique intégré est une meilleure option qu'utiliser un circuit d'amplificateur opérationnel externe et un canal ADC. Vous n'aurez pas besoin de programmer un seuil numérique et une conversion dans votre firmware pour estimer quand la tension d'entrée est réellement saturée.

• Hystérésis programmable. La taille de la fenêtre d'hystérésis peut être programmée dans le firmware du MCU, ou elle peut être définie dynamiquement pendant le fonctionnement. Si vous le souhaitez, vous pouvez régler la fenêtre d'hystérésis pour qu'elle soit plus large que la marge de bruit d'une entrée GPIO, vous offrant ainsi un circuit très robuste pour détecter les événements de commutation.

• Plus grande immunité au bruit externe. La ligne d'alimentation entre la sortie de l'amplificateur opérationnel et l'entrée du MCU crée un autre point où le bruit peut être injecté dans l'entrée, ce qui pourrait ensuite créer une lecture inexacte dans l'ADC/GPIO du MCU. En intégrant le comparateur analogique dans le MCU, vous avez éliminé ce point supplémentaire où le bruit peut entrer dans le système.

• Moins de composants avec des entrées comparables. Vous pouvez réduire le coût de votre BOM sans utiliser un nombre excessif d'entrées dans votre MCU lorsque vous utilisez un MCU avec un comparateur analogique intégré.

• Délai de propagation programmable. Le délai de propagation dans un comparateur analogique est défini comme le temps entre le moment où le signal d'entrée franchit le seuil de commutation et le moment où l'état de sortie commence à changer. Certains MCU avec un comparateur intégré permettent de programmer cette quantité. En augmentant le délai de propagation, le MCU consommera moins d'énergie pendant la commutation.

MCU Populaires avec Comparateur Analogique Intégré

De nos jours, vous trouverez de nombreux MCU sur le marché de fabricants de premier plan. Voici quelques MCU populaires qui incluent des fonctionnalités de comparateur analogique intégré ainsi qu'une gamme d'autres interfaces :

NXP Semiconductors, S08PB

Le MCU S08PB d'ON Semiconductor est un dispositif 8 bits plus petit pour des applications informatiques embarquées simples. Ce dispositif particulier comprend deux comparateurs analogiques avec moins de périphériques, et il est proposé dans un boîtier plus petit que de nombreux autres MCU populaires en éliminant les périphériques inutiles pour des systèmes analogiques plus simples. Certaines fonctionnalités utiles pour les systèmes analogiques incluent un amplificateur opérationnel intégré, un compteur RTC de haute précision, deux modulateurs de minuterie flexibles et un ADC à 12 canaux (résolution de 12 bits).

Diagramme de bloc pour le MCU MC9S08PB8MTG de NXP Semiconductors. Extrait du datasheet du MC9S08PB8MTG.

STMicroelectronics, série STM32

La série STM32 de STMicroelectronics est l'une des lignes de MCU les plus populaires utilisées dans les produits embarqués nécessitant une puissance de traitement modérée et une largeur de bus élevée. Ces dispositifs fonctionnent jusqu'à 72 MHz (cœur Arm Cortex-M4) avec une largeur de bus de 32 bits. Ils disposent également d'un ADC haute résolution (12 bits) et d'une gamme d'interfaces numériques (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) avec un nombre élevé d'E/S.

Texas Instruments, MSP430

La famille de MCU MSP430 de Texas Instruments comprend une gamme de MCU 16 bits disponibles dans une variété de boîtiers et incluant un comparateur analogique. Ces MCU fonctionnent jusqu'à 25 MHz et incluent des fonctionnalités telles que la SRAM/FRAM intégrée, la mémoire Flash, l'ADC, le SPI/UART, et d'autres interfaces et fonctionnalités.

Diagramme de bloc fonctionnel pour le MCU MSP430FR5727 de Texas Instruments. Extrait du datasheet du MSP430FR5727.

Autres composants pour soutenir vos conceptions de signaux mixtes

Votre MCU devrait être le point de départ pour une conception de signal mixte car il devra interfacer avec tous les autres composants numériques et analogiques de votre système. Quelques autres composants dont votre système aura besoin incluent :

• Passifs pour le circuit de support

• Modules d'affichage pour l'IHM

• Convertisseurs DC-DC pour la régulation de puissance

• Composants sans fil et de réseau

Lorsque vous avez besoin de sélectionner un MCU ou un autre processeur avec un comparateur analogique intégré, vous pouvez trouver toutes les pièces dont vous avez besoin avec les fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès à un ensemble complet de données de distributeurs et de spécifications de pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Consultez notre page sur les processeurs et contrôleurs embarqués pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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