Você Precisa de um Comparador Analógico no Seu MCU?

Este computador industrial pode se beneficiar de um MCU com um comparador analógico integrado.

Lembro-me de quando construí meu primeiro comparador analógico de op-amp nas minhas aulas de eletrônica da faculdade usando um op-amp LM358. Tais circuitos simples nem sempre parecem ter uso prático até você começar a projetá-los em sistemas reais para seus clientes. Um comparador analógico é fácil de construir com feedback positivo em um circuito de op-amp, mas você sempre ocupará algum espaço na placa com o IC do op-amp e componentes adicionais no loop de feedback.

Que tal trabalhar com um comparador analógico e seu MCU? Seu MCU oferece muitas funções integradas e I/Os, e uma opção para aceitar uma saída de comparador com seu MCU é usar um dos GPIOs. Uma opção melhor é encontrar um MCU com um circuito de comparador integrado, o que eliminará a necessidade de um circuito de op-amp externo ou IC de comparador. Aqui está como esses circuitos funcionam no seu design e alguns MCUs populares que incluem essa funcionalidade.

O que é um Comparador Analógico?

Um comparador analógico é basicamente um conversor analógico-digital de 1 bit. Uma vez que a tensão de entrada no comparador excede algum limiar, o dispositivo mudará de estados entre seus valores de tensão baixa e alta. Um comparador analógico pode ser um dispositivo inversor ou não inversor. Em um dispositivo não inversor, a borda de subida do sinal de entrada acionará a saída do comparador para mudar de seus estados de saída de tensão baixa para alta, e vice-versa na borda de descida. O comportamento é invertido para um comparador inversor.

Em um circuito de comparador analógico de op-amp, feedback positivo é normalmente usado para garantir que a saída sature uma vez que a tensão de entrada mude acima da tensão de referência externa. Em outras palavras, o op-amp oscilará de trilho a trilho nas bordas de subida ou descida do sinal de entrada. Esta é uma maneira simples de criar uma saída de 2 estados que satura em dois níveis de tensão enquanto também fornece alguma imunidade a ruídos de baixo nível.

Tensão de saída do comparador analógico com e sem histerese.

Para fornecer imunidade a ruídos de baixo nível, circuitos de comparador analógico podem ter alguma histerese, e a margem de ruído dependerá do tamanho da janela de histerese. O efeito da histerese na comutação devido a uma onda triangular de entrada é mostrado acima. Se o sinal de entrada tivesse alguma variação ou ruído, qualquer variação dentro da janela de histerese não causaria comutação. Em um ADC com múltiplos bits de resolução, isso não seria o caso; a menor diferença de tensão entre os níveis de quantização mantém 

No circuito de amplificador operacional, o tamanho da janela de histerese é determinado pela razão da resistência total no loop de feedback para a resistência entre a tensão de referência e a entrada não-inversora. Ao definir esses dois valores, a janela de histerese do comparador pode ser ajustada para uma aplicação específica e margem de ruído. É aqui que um MCU com um comparador analógico integrado realmente se destaca, pois não requer esses resistores externos para definir o tamanho da janela de histerese ou as tensões de limiar.

Vantagens de um Comparador Analógico no Seu MCU

Um comparador analógico integrado diretamente no seu MCU oferece várias vantagens em comparação com outros métodos de integração de um comparador para uma interface analógica com o seu MCU.

• Comutação simplificada. Se você precisa apenas detectar a diferença entre 2 estados de tensão, um comparador analógico integrado é uma opção melhor do que usar um circuito de amplificador operacional externo e um canal ADC. Você não precisará programar algum limiar numérico e conversão no seu firmware para estimar quando a tensão de entrada está verdadeiramente saturada.

• Histerese programável. O tamanho da janela de histerese pode ser programado no firmware do MCU, ou pode ser definido dinamicamente durante a operação. Se desejar, você pode definir a janela de histerese para ser mais ampla do que a margem de ruído de uma entrada GPIO, proporcionando um circuito muito robusto para detectar eventos de comutação.

• Maior imunidade a ruídos externos. A linha de alimentação entre a saída do amplificador operacional e a entrada do MCU cria outro ponto onde o ruído pode ser injetado na entrada, o que poderia então criar uma leitura imprecisa no ADC/GPIO do MCU. Integrando o comparador analógico no MCU, você eliminou este ponto adicional onde o ruído pode entrar no sistema.

• Menos componentes com entradas comparáveis. Você pode reduzir o custo da sua BOM sem usar um número excessivo de entradas no seu MCU quando usa um MCU com um comparador analógico integrado.

• Atraso de propagação programável. O atraso de propagação em um comparador analógico é definido como o tempo entre o momento em que o sinal de entrada cruza o limiar de comutação e o momento em que o estado de saída começa a mudar. Alguns MCUs com um comparador integrado permitem que essa quantidade seja programada. Ao aumentar o atraso de propagação, o MCU consumirá menos energia durante a comutação.

MCUs Populares com Comparador Analógico Integrado

Hoje em dia, você encontrará muitos MCUs no mercado de fabricantes de topo. Aqui estão alguns MCUs populares que incluem recursos de comparador analógico integrado, bem como uma gama de outras interfaces:

NXP Semiconductors, S08PB

MCU S08PB da ON Semiconductor é um dispositivo de 8 bits menor para aplicações simples de computação embarcada. Este dispositivo específico inclui dois comparadores analógicos com menos periféricos, e vem em um pacote menor do que muitos outros MCUs populares eliminando periféricos desnecessários para sistemas analógicos mais simples. Algumas características úteis para sistemas analógicos incluem um amplificador operacional integrado, contador RTC de alta precisão, dois moduladores de temporizador flexível e ADC de 12 canais (resolução de 12 bits).

Diagrama de blocos para o MCU MC9S08PB8MTG da NXP Semiconductors. Do datasheet do MC9S08PB8MTG.

STMicroelectronics, Série STM32

A Série STM32 da STMicroelectronics é uma das linhas de MCUs mais populares usadas em produtos embutidos que requerem poder de processamento moderado e alta largura de barramento. Esses dispositivos operam até 72 MHz (núcleo Arm Cortex-M4) com largura de barramento de 32 bits. Eles também apresentam ADC de alta resolução (12 bits) e uma gama de interfaces digitais (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) com alta contagem de I/O.

Texas Instruments, MSP430

A família MSP430 de MCUs da Texas Instruments é uma gama de MCUs de 16 bits que vêm em uma variedade de pacotes e incluem um comparador analógico. Esses MCUs funcionam até 25 MHz e incluem recursos como SRAM/FRAM integrada, memória Flash, ADC, SPI/UART e outras interfaces e recursos.

Diagrama de blocos funcional para o MCU MSP430FR5727 da Texas Instruments. Do datasheet do MSP430FR5727.

Outros Componentes para Apoiar Seus Projetos de Sinal Misto

Seu MCU deve ser o ponto de partida para um projeto de sinal misto, pois precisará interagir com todos os outros componentes digitais e analógicos em seu sistema. Alguns outros componentes que seu sistema precisará incluem:

• Passivos para circuitos de suporte

• Módulos de display para HMI

• Conversores DC-DC para regulação de potência

• Componentes sem fio e de rede

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