Czy potrzebujesz komparatora analogowego w swoim MCU?

Utworzono: czerwiec 22, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Ten przemysłowy komputer może skorzystać z MCU z zintegrowanym komparatorem analogowym.

Pamiętam, kiedy zbudowałem mój pierwszy komparator analogowy op-amp na zajęciach z elektroniki na studiach, używając wzmacniacza operacyjnego LM358. Takie proste obwody nie zawsze wydają się mieć praktyczne zastosowanie, dopóki nie zaczniesz projektować ich w rzeczywistych systemach dla swoich klientów. Komparator analogowy jest łatwy do zbudowania z dodatnim sprzężeniem zwrotnym w obwodzie op-ampa, ale zawsze zajmiesz trochę miejsca na płytce z układem scalonym op-ampa i dodatkowymi komponentami w pętli sprzężenia zwrotnego.

Co z pracą z komparatorem analogowym i twoim MCU? Twoje MCU oferuje wiele zintegrowanych funkcji i wejść/wyjść, a jedną z opcji przyjęcia wyjścia komparatora z twoim MCU jest użycie jednego z GPIO. Lepszą opcją jest znalezienie MCU z zintegrowanym obwodem komparatora, co wyeliminuje potrzebę zewnętrznego obwodu op-ampa lub układu scalonego komparatora. Oto jak te obwody działają w twojej konstrukcji i niektóre popularne MCU, które zawierają tę funkcjonalność.

Co to jest komparator analogowy?

Komparator analogowy to w zasadzie 1-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy. Gdy napięcie wejściowe do komparatora przekroczy pewien próg, urządzenie zmieni stany między swoimi niskimi i wysokimi wartościami napięcia. Komparator analogowy może być urządzeniem odwracającym lub nieodwracającym. W urządzeniu nieodwracającym, rosnące zbocze sygnału wejściowego spowoduje przełączenie wyjścia komparatora ze stanu niskiego napięcia na wysokie, i odwrotnie na opadającym zboczu. Zachowanie jest odwrócone dla komparatora odwracającego.

W obwodzie komparatora analogowego op-ampa, zazwyczaj używa się dodatniego sprzężenia zwrotnego, aby zapewnić nasycenie wyjścia, gdy napięcie wejściowe przełączy się powyżej zewnętrznego napięcia odniesienia. Innymi słowy, op-amp będzie oscylować od szyny do szyny na rosnących lub opadających zboczach sygnału wejściowego. Jest to prosty sposób na stworzenie wyjścia dwustanowego, które nasyci się na dwóch poziomach napięcia, zapewniając jednocześnie pewną odporność na niskopoziomowe zakłócenia.

Napięcie wyjściowe komparatora analogowego z histerezą i bez.

Aby zapewnić odporność na zakłócenia niskopoziomowe, obwody komparatora analogowego mogą mieć pewną histerezę, a margines zakłóceń będzie zależał od rozmiaru okna histerezy. Efekt histerezy na przełączanie z powodu trójkątnej fali wejściowej jest pokazany powyżej. Gdyby sygnał wejściowy miał pewne wahania lub zakłócenia, każde wahanie w obrębie okna histerezy nie spowodowałoby przełączenia. W przypadku ADC z wieloma bitami rozdzielczości, nie byłoby to możliwe; mniejsza różnica napięć między poziomami kwantyzacji utrzymuje

W układzie wzmacniacza operacyjnego, wielkość okna histerezy jest określana przez stosunek całkowitej rezystancji w pętli sprzężenia zwrotnego do rezystancji między napięciem odniesienia a nieodwracającym wejściem. Ustawiając te dwie wartości, można dostosować okno histerezy komparatora do konkretnej aplikacji i marginesu szumów. Tutaj właśnie mikrokontroler z zintegrowanym komparatorem analogowym naprawdę się sprawdza, ponieważ nie wymaga on zewnętrznych rezystorów do ustawienia wielkości okna histerezy czy napięć progowych.

Zalety zintegrowanego komparatora analogowego w Twoim MCU

Zintegrowany bezpośrednio w Twoim MCU komparator analogowy oferuje szereg zalet w porównaniu z innymi metodami integracji komparatora dla interfejsu analogowego z Twoim MCU.

Uproszczone przełączanie. Jeśli potrzebujesz tylko wykryć różnicę między 2 stanami napięcia, zintegrowany komparator analogowy jest lepszą opcją niż użycie zewnętrznego układu wzmacniacza operacyjnego i kanału ADC. Nie będziesz musiał programować jakiegoś numerycznego progu i konwersji w swoim firmware, aby oszacować, kiedy napięcie wejściowe jest naprawdę nasycone.
Programowalna histereza. Wielkość okna histerezy może być zaprogramowana w firmware MCU, lub może być ustawiana dynamicznie podczas działania. Jeśli chcesz, możesz ustawić okno histerezy na szersze niż margines szumów wejścia GPIO, co daje Ci bardzo solidny układ do wykrywania zdarzeń przełączania.
Większa odporność na zewnętrzne zakłócenia. Linia zasilająca między wyjściem wzmacniacza operacyjnego a wejściem MCU tworzy kolejny punkt, w którym szum może być wprowadzony do wejścia, co może następnie spowodować nieprawidłowy odczyt w ADC/GPIO MCU. Integracja komparatora analogowego do MCU eliminuje ten dodatkowy punkt, w którym szum może dostać się do systemu.
Mniej komponentów przy porównywalnych wejściach. Możesz zmniejszyć koszty BOM bez użycia nadmiernej liczby wejść w swoim MCU, gdy używasz MCU z zintegrowanym komparatorem analogowym.
Programowalne opóźnienie propagacji. Opóźnienie propagacji w komparatorze analogowym jest definiowane jako czas między momentem, gdy sygnał wejściowy przekracza próg przełączania, a momentem, gdy stan wyjściowy zaczyna się zmieniać. Niektóre MCU z zintegrowanym komparatorem pozwalają na zaprogramowanie tej wielkości. Zwiększając opóźnienie propagacji, MCU będzie zużywać mniej energii podczas przełączania.

Popularne MCU z zintegrowanym komparatorem analogowym

Obecnie na rynku znajdziesz wiele MCU od czołowych producentów. Oto kilka popularnych MCU, które zawierają zintegrowane funkcje komparatora analogowego oraz szereg innych interfejsów:

NXP Semiconductors, S08PB

MCU S08PB firmy ON Semiconductor to mniejsze urządzenie 8-bitowe do prostych zastosowań w systemach wbudowanych. To konkretne urządzenie zawiera dwa komparatory analogowe z mniejszą liczbą peryferiów i jest dostępne w mniejszej obudowie niż wiele innych popularnych MCU, eliminując niepotrzebne peryferia dla prostszych systemów analogowych. Niektóre przydatne funkcje dla systemów analogowych to zintegrowany wzmacniacz operacyjny, wysokoprecyzyjny licznik RTC, dwa modulatory czasu elastycznego oraz 12-kanałowy ADC (rozdzielczość 12-bitowa).

Schemat blokowy MCU MC9S08PB8MTG od NXP Semiconductors. Z karty katalogowej MC9S08PB8MTG.

STMicroelectronics, seria STM32

Seria STM32 od STMicroelectronics jest jedną z najpopularniejszych linii MCU używanych w produktach wbudowanych wymagających umiarkowanej mocy obliczeniowej i szerokiej magistrali. Urządzenia te pracują z prędkością do 72 MHz (rdzeń Arm Cortex-M4) przy szerokości magistrali 32-bit. Posiadają również wysokorozdzielczy ADC (12-bit) oraz szereg interfejsów cyfrowych (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) z dużą liczbą wejść/wyjść.

Texas Instruments, MSP430

Rodzina MCU MSP430 od Texas Instruments to gama 16-bitowych MCU, które występują w różnych obudowach i zawierają analogowy komparator. Te MCU pracują z prędkością do 25 MHz i zawierają funkcje takie jak zintegrowany SRAM/FRAM, pamięć Flash, ADC, SPI/UART oraz inne interfejsy i funkcje.

Schemat funkcjonalny MCU MSP430FR5727 od Texas Instruments. Z karty katalogowej MSP430FR5727.

Inne komponenty wspierające Twoje projekty sygnałów mieszanych

Twój MCU powinien być punktem wyjścia dla projektu sygnałów mieszanych, ponieważ będzie musiał współpracować ze wszystkimi innymi komponentami cyfrowymi i analogowymi w Twoim systemie. Niektóre inne komponenty, których Twój system będzie potrzebować, to:

Kiedy potrzebujesz wybrać MCU lub inny procesor z zintegrowanym komparatorem analogowym, wszystkie potrzebne części znajdziesz dzięki zaawansowanym funkcjom wyszukiwania i filtrowania w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, masz dostęp do kompletnego zestawu danych dystrybutorów i specyfikacji części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie użytkownika. Zobacz naszą stronę z procesorami wbudowanymi i kontrolerami, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.