Hai bisogno di un comparatore analogico nel tuo MCU?

Creato: giugno 22, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Questo computer industriale può beneficiare di un MCU con un comparatore analogico integrato.

Quando costruii il mio primo comparatore analogico op-amp nelle classi di elettronica del college usando un op-amp LM358, mi ricordo. Circuiti così semplici non sembrano sempre avere un'utilità pratica fino a quando non inizi a progettarli in sistemi reali per i tuoi clienti. Un comparatore analogico è facile da costruire con un feedback positivo in un circuito op-amp, ma occuperai sempre un po' di spazio sulla scheda con l'IC op-amp e componenti aggiuntivi nel loop di feedback.

Che dire di lavorare con un comparatore analogico e il tuo MCU? Il tuo MCU offre molte funzioni integrate e I/O, e una opzione per accettare un output di comparatore con il tuo MCU è usare uno dei GPIO. Un'opzione migliore è trovare un MCU con un circuito comparatore integrato, che eliminerà la necessità di un circuito op-amp esterno o di un IC comparatore. Ecco come funzionano questi circuiti nel tuo design e alcuni MCU popolari che includono questa funzionalità.

Cos'è un Comparatore Analogico?

Un comparatore analogico è fondamentalmente un convertitore analogico-digitale a 1 bit. Una volta che la tensione in ingresso nel comparatore supera una certa soglia, il dispositivo cambierà stato tra i suoi valori di tensione bassa e alta. Un comparatore analogico può essere un dispositivo invertente o non invertente. Su un dispositivo non invertente, il fronte di salita del segnale di ingresso farà scattare l'uscita del comparatore passando dallo stato di bassa tensione a quello di alta tensione, e viceversa sul fronte di discesa. Il comportamento è invertito per un comparatore invertente.

In un circuito comparatore analogico op-amp, normalmente si utilizza un feedback positivo per garantire che l'uscita si saturi una volta che la tensione di ingresso passa sopra la tensione di riferimento esterna. In altre parole, l'op-amp oscillerà da rail a rail sui fronti di salita o di discesa del segnale di ingresso. Questo è un modo semplice per creare un'uscita a 2 stati che si satura a due livelli di tensione fornendo anche una certa immunità al rumore di basso livello.

Tensione di uscita del comparatore analogico con e senza isteresi.

Per fornire immunità al rumore di basso livello, i circuiti comparatori analogici possono avere un po' di isteresi, e il margine di rumore dipenderà dalla dimensione della finestra di isteresi. L'effetto dell'isteresi sulla commutazione a causa di un'onda triangolare in ingresso è mostrato sopra. Se il segnale di ingresso avesse qualche variazione o rumore, qualsiasi variazione all'interno della finestra di isteresi non causerà commutazione. In un ADC con più bit di risoluzione, questo non sarebbe il caso; la minore differenza di tensione tra i livelli di quantizzazione mantiene

Nel circuito dell'op-amp, la dimensione della finestra di isteresi è determinata dal rapporto tra la resistenza totale nel loop di feedback e la resistenza tra il voltaggio di riferimento e l'ingresso non invertente. Impostando questi due valori, la finestra di isteresi del comparatore può essere regolata per una particolare applicazione e margine di rumore. Questo è il punto in cui un MCU con un comparatore analogico integrato eccelle veramente poiché non richiede queste resistenze esterne per impostare la dimensione della finestra di isteresi o i voltaggi di soglia.

Vantaggi di un Comparatore Analogico nel Tuo MCU

Un comparatore analogico integrato direttamente nel tuo MCU offre numerosi vantaggi rispetto ad altri metodi per integrare un comparatore per un'interfaccia analogica con il tuo MCU.

Commutazione semplificata. Se hai bisogno solo di rilevare la differenza tra 2 stati di tensione, un comparatore analogico integrato è un'opzione migliore rispetto all'uso di un circuito op-amp esterno e un canale ADC. Non avrai bisogno di programmare una soglia numerica e una conversione nel tuo firmware per stimare quando la tensione di ingresso è veramente saturata.
Isteresi programmabile. La dimensione della finestra di isteresi può essere programmata nel firmware dell'MCU, o può essere impostata dinamicamente durante il funzionamento. Se lo desideri, puoi impostare la finestra di isteresi più ampia del margine di rumore di un ingresso GPIO, ottenendo così un circuito molto robusto per rilevare eventi di commutazione.
Maggiore immunità al rumore esterno. La linea di alimentazione tra l'uscita dell'op-amp e l'ingresso dell'MCU crea un altro punto in cui il rumore può essere iniettato nell'ingresso, che potrebbe poi creare una lettura inaccurata nell'ADC/GPIO dell'MCU. Integrando il comparatore analogico nell'MCU, hai eliminato questo ulteriore punto in cui il rumore può entrare nel sistema.
Minore numero di componenti con ingressi comparabili. Puoi ridurre il costo del tuo BOM senza usare un numero eccessivo di ingressi nel tuo MCU quando utilizzi un MCU con un comparatore analogico integrato.
Ritardo di propagazione programmabile. Il ritardo di propagazione in un comparatore analogico è definito come il tempo tra il momento in cui il segnale di ingresso attraversa la soglia di commutazione e il momento in cui lo stato di uscita inizia a cambiare. Alcuni MCU con un comparatore integrato permettono di programmare questa quantità. Aumentando il ritardo di propagazione, l'MCU consumerà meno energia durante la commutazione.

MCU Popolari con Comparatore Analogico Integrato

Al giorno d'oggi, troverai molti MCU sul mercato dei principali produttori. Ecco alcuni MCU popolari che includono funzionalità di comparatore analogico integrato così come una gamma di altre interfacce:

NXP Semiconductors, S08PB

L'MCU S08PB di ON Semiconductor è un dispositivo a 8 bit più piccolo per semplici applicazioni di computing embedded. Questo particolare dispositivo include due comparatori analogici con meno periferiche, e viene in un pacchetto più piccolo rispetto a molti altri MCU popolari eliminando periferiche non necessarie per sistemi analogici più semplici. Alcune caratteristiche utili per i sistemi analogici includono un op-amp integrato, un contatore RTC ad alta precisione, due modulatori a timer flessibili e un ADC a 12 canali (risoluzione a 12 bit).

Diagramma a blocchi per l'MCU MC9S08PB8MTG di NXP Semiconductors. Dal datasheet MC9S08PB8MTG.

STMicroelectronics, Serie STM32

La Serie STM32 di STMicroelectronics è una delle linee di MCU più popolari utilizzate in prodotti embedded che richiedono una moderata potenza di elaborazione e un'ampia larghezza di bus. Questi dispositivi operano fino a 72 MHz (core Arm Cortex-M4) con larghezza di bus di 32 bit. Dispongono inoltre di ADC ad alta risoluzione (12 bit) e di una gamma di interfacce digitali (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) con un elevato numero di I/O.

Texas Instruments, MSP430

La famiglia di MCU MSP430 di Texas Instruments comprende una gamma di MCU a 16 bit disponibili in vari pacchetti e includono un comparatore analogico. Queste MCU funzionano fino a 25 MHz e includono caratteristiche come SRAM/FRAM integrata, memoria Flash, ADC, SPI/UART e altre interfacce e funzionalità.

Diagramma funzionale a blocchi per l'MCU MSP430FR5727 di Texas Instruments. Dal datasheet MSP430FR5727.

Altri Componenti per Supportare i Tuoi Progetti a Segnale Misto

Il tuo MCU dovrebbe essere il punto di partenza per un progetto a segnale misto poiché dovrà interfacciarsi con tutti gli altri componenti digitali e analogici nel tuo sistema. Alcuni altri componenti di cui il tuo sistema avrà bisogno includono:

Quando devi selezionare un MCU o un altro processore con un comparatore analogico integrato, puoi trovare tutti i componenti di cui hai bisogno con le funzionalità di ricerca avanzata e filtraggio su Octopart. Utilizzando il motore di ricerca di componenti elettronici di Octopart, avrai accesso a un set completo di dati dei distributori e specifiche dei componenti, il tutto liberamente accessibile in un'interfaccia user-friendly. Dai un'occhiata alla nostra pagina sui processori e controllori embedded per trovare i componenti di cui hai bisogno.

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