Bạn Có Cần Một Bộ So Sánh Tương Tự Trong MCU Của Mình Không?

Created: Tháng Sáu 22, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Máy tính công nghiệp này có thể được hưởng lợi từ MCU có tích hợp bộ so sánh analog.

Tôi nhớ khi tôi xây dựng bộ so sánh analog op-amp đầu tiên của mình trong các lớp điện tử đại học của mình sử dụng op-amp LM358. Những mạch đơn giản như vậy không phải lúc nào cũng có vẻ như có ích cho đến khi bạn bắt đầu thiết kế chúng vào các hệ thống thực tế cho khách hàng của mình. Một bộ so sánh analog dễ dàng được xây dựng với phản hồi dương trong một mạch op-amp, nhưng bạn sẽ luôn chiếm một số không gian trên bảng mạch với IC op-amp và các thành phần bổ sung trong vòng lặp phản hồi.

Vậy làm thế nào về việc làm việc với một bộ so sánh analog và MCU của bạn? MCU của bạn cung cấp nhiều chức năng tích hợp và I/Os, và một lựa chọn để chấp nhận đầu ra của bộ so sánh với MCU của bạn là sử dụng một trong số các GPIOs. Một lựa chọn tốt hơn là tìm một MCU có mạch bộ so sánh tích hợp, điều này sẽ loại bỏ nhu cầu về một mạch op-amp bên ngoài hoặc IC bộ so sánh. Dưới đây là cách các mạch này hoạt động trong thiết kế của bạn và một số MCU phổ biến bao gồm chức năng này.

Bộ so sánh Analog là gì?

Bộ so sánh analog cơ bản là một bộ chuyển đổi analog-sang-số 1-bit. Một khi điện áp đầu vào vào bộ so sánh vượt qua một ngưỡng nào đó, thiết bị sẽ chuyển trạng thái giữa các giá trị điện áp thấp và cao của nó. Bộ so sánh analog có thể là thiết bị đảo ngược hoặc không đảo ngược. Trên một thiết bị không đảo ngược, cạnh tăng của tín hiệu đầu vào sẽ kích hoạt đầu ra của bộ so sánh chuyển từ trạng thái đầu ra điện áp thấp sang cao, và ngược lại trên cạnh giảm. Hành vi này được đảo ngược cho bộ so sánh đảo ngược.

Trong một mạch bộ so sánh analog op-amp, phản hồi dương thường được sử dụng để đảm bảo đầu ra bão hòa một khi điện áp đầu vào chuyển lên trên điện áp tham chiếu bên ngoài. Nói cách khác, op-amp sẽ dao động từ cực này sang cực kia trên các cạnh tăng hoặc giảm của tín hiệu đầu vào. Đây là một cách đơn giản để tạo ra một đầu ra 2 trạng thái bão hòa ở hai mức điện áp trong khi cũng cung cấp một số miễn dịch với nhiễu cấp thấp.

Điện áp đầu ra của bộ so sánh analog với và không có hiện tượng hysteresis.

Để cung cấp miễn dịch với nhiễu cấp thấp, mạch bộ so sánh analog có thể có một số hysteresis, và biên độ nhiễu sẽ phụ thuộc vào kích thước của cửa sổ hysteresis. Hiệu ứng của hysteresis đối với việc chuyển đổi do một sóng tam giác đầu vào được hiển thị ở trên. Nếu tín hiệu đầu vào có một số biến đổi hoặc nhiễu, bất kỳ biến đổi nào trong cửa sổ hysteresis sẽ không gây ra sự chuyển đổi. Trong một ADC với nhiều bit độ phân giải, điều này sẽ không phải là trường hợp; sự khác biệt điện áp nhỏ giữa các mức lượng tử hóa giữ

Trong mạch op-amp, kích thước của cửa sổ hysteresis được xác định bởi tỷ lệ của tổng trở kháng trong vòng lặp phản hồi so với trở kháng giữa điện áp tham chiếu và đầu vào không đảo ngược. Bằng cách thiết lập hai giá trị này, cửa sổ hysteresis của bộ so sánh có thể được điều chỉnh cho một ứng dụng cụ thể và biên độ nhiễu. Đây là nơi mà một MCU với bộ so sánh analog tích hợp thực sự tỏa sáng vì nó không yêu cầu các điện trở bên ngoài để thiết lập kích thước của cửa sổ hysteresis hoặc điện áp ngưỡng.

Lợi ích của Bộ So Sánh Analog trong MCU của Bạn

Một bộ so sánh analog tích hợp trực tiếp vào MCU của bạn mang lại một số lợi ích so với các phương pháp khác để tích hợp một bộ so sánh cho giao diện analog với MCU của bạn.

Chuyển đổi đơn giản hóa. Nếu bạn chỉ cần phát hiện sự khác biệt giữa 2 trạng thái điện áp, một bộ so sánh analog tích hợp là một lựa chọn tốt hơn so với việc sử dụng một mạch op-amp bên ngoài và một kênh ADC. Bạn sẽ không cần phải lập trình một ngưỡng số và chuyển đổi vào firmware của mình để ước lượng khi nào điện áp đầu vào thực sự bão hòa.
Hysteresis có thể lập trình. Kích thước của cửa sổ hysteresis có thể được lập trình trong firmware của MCU, hoặc nó có thể được thiết lập một cách linh hoạt trong quá trình hoạt động. Nếu bạn muốn, bạn có thể thiết lập cửa sổ hysteresis rộng hơn biên độ nhiễu của một đầu vào GPIO, tạo ra một mạch rất mạnh mẽ để phát hiện các sự kiện chuyển đổi.
Khả năng miễn dịch với nhiễu bên ngoài cao hơn. Đường dẫn từ đầu ra op-amp đến đầu vào MCU tạo ra một điểm nữa mà nhiễu có thể được tiêm vào đầu vào, có thể sau đó tạo ra một đọc không chính xác trong ADC/GPIO của MCU. Bằng cách tích hợp bộ so sánh analog vào MCU, bạn đã loại bỏ điểm thêm này mà nhiễu có thể nhập vào hệ thống.
Ít thành phần hơn với đầu vào tương đương. Bạn có thể giảm chi phí BOM mà không sử dụng quá nhiều đầu vào trong MCU của bạn khi bạn sử dụng một MCU với bộ so sánh analog tích hợp.
Độ trễ truyền có thể lập trình. Độ trễ truyền trong một bộ so sánh analog được định nghĩa là thời gian giữa thời điểm tín hiệu đầu vào vượt qua ngưỡng chuyển đổi và thời điểm trạng thái đầu ra bắt đầu thay đổi. Một số MCU với bộ so sánh tích hợp cho phép lượng này được lập trình. Bằng cách tăng độ trễ truyền, MCU sẽ tiêu thụ ít năng lượng hơn trong quá trình chuyển đổi.

MCU Phổ Biến với Bộ So Sánh Analog Tích Hợp

Ngày nay, bạn sẽ tìm thấy nhiều MCU trên thị trường từ các nhà sản xuất hàng đầu. Dưới đây là một số MCU phổ biến bao gồm các tính năng bộ so sánh analog tích hợp cũng như một loạt các giao diện khác:

NXP Semiconductors, S08PB

MCU S08PB của ON Semiconductor là một thiết bị 8-bit nhỏ hơn cho các ứng dụng tính toán nhúng đơn giản. Thiết bị cụ thể này bao gồm hai bộ so sánh analog với ít ngoại vi hơn, và nó có gói nhỏ hơn nhiều MCU phổ biến khác bằng cách loại bỏ các ngoại vi không cần thiết cho các hệ thống analog đơn giản hơn. Một số tính năng hữu ích cho các hệ thống analog bao gồm một op-amp tích hợp, bộ đếm RTC chính xác cao, hai bộ điều chỉnh thời gian linh hoạt, và ADC 12 kênh (độ phân giải 12-bit).

Sơ đồ khối cho MCU MC9S08PB8MTG từ NXP Semiconductors. Từ tài liệu dữ liệu MC9S08PB8MTG.

STMicroelectronics, Dòng STM32

Dòng STM32 từ STMicroelectronics là một trong những dòng MCU phổ biến nhất được sử dụng trong các sản phẩm nhúng cần sức mạnh xử lý vừa phải và băng thông bus cao. Các thiết bị này hoạt động lên đến 72 MHz (lõi Arm Cortex-M4) với băng thông bus 32-bit. Chúng còn có ADC độ phân giải cao (12-bit) và một loạt giao diện số (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) với số lượng I/O cao.

Texas Instruments, MSP430

Gia đình MCU MSP430 từ Texas Instruments là một loạt các MCU 16-bit có sẵn trong nhiều gói và bao gồm một bộ so sánh analog. Các MCU này chạy lên đến 25 MHz và bao gồm các tính năng như SRAM/FRAM tích hợp, bộ nhớ Flash, ADC, SPI/UART, và các giao diện và tính năng khác.

Sơ đồ khối chức năng cho MCU MSP430FR5727 từ Texas Instruments. Từ tài liệu dữ liệu MSP430FR5727.

Các Linh Kiện Khác để Hỗ Trợ Thiết Kế Tín Hiệu Hỗn Hợp của Bạn

MCU của bạn nên là điểm xuất phát cho một thiết kế tín hiệu hỗn hợp vì nó sẽ cần giao tiếp với tất cả các thành phần số và analog khác trong hệ thống của bạn. Một số linh kiện khác mà hệ thống của bạn sẽ cần bao gồm:

Khi bạn cần chọn một MCU hoặc bộ xử lý khác với bộ so sánh analog tích hợp, bạn có thể tìm tất cả các bộ phận bạn cần với các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào một bộ dữ liệu đầy đủ từ nhà phân phối và thông số kỹ thuật của bộ phận, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang bộ xử lý và điều khiển nhúng của chúng tôi để tìm các thành phần bạn cần.

Hãy cập nhật những bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.