您的 MCU 中需要模拟比较器吗？

2021-06-24

您的 MCU 中需要模拟比较器吗？

我记得電(diàn)子课程中使用(yòng) LM358 运算放大器构建了第一个运算放大器模拟比较器。在您开始為(wèi)您的客户将它们设计成实际系统之前，这种简单的電(diàn)路似乎并不总是具有(yǒu)实际用(yòng)途。使用(yòng)运算放大器電(diàn)路中的正反馈很(hěn)容易构建模拟比较器，但是您总是会在带有(yǒu)运算放大器 IC 和反馈回路中的其他(tā)组件的電(diàn)路板上占用(yòng)一些空间。

使用(yòng)模拟比较器和 MCU 怎么样？您的 MCU 提供了大量集成功能(néng)和 I/O，通过 MCU 接受比较器输出的一种选择是使用(yòng) GPIO 之一。更好的选择是找到带有(yǒu)集成比较器電(diàn)路的 MCU，这样就不需要外部运算放大器電(diàn)路或比较器 IC。以下是这些電(diàn)路在您的设计中的工作原理(lǐ)以及一些包含此功能(néng)的流行 MCU。

什么是模拟比较器？

模拟比较器基本上是一个 1 位模数转换器。一旦输入到比较器的電(diàn)压超过某个阈值，器件将在其低電(diàn)压值和高電(diàn)压值之间转换状态。模拟比较器可(kě)以是反相或非反相设备。在同相器件上，输入信号的上升沿将触发比较器输出从低電(diàn)压输出状态切换到高電(diàn)压输出状态，在下降沿反之亦然。反相比较器的行為(wèi)相反。

在运算放大器模拟比较器電(diàn)路中，通常使用(yòng)正反馈来确保一旦输入電(diàn)压切换到外部参考電(diàn)压以上时输出饱和。换句话说，运算放大器将在输入信号的上升沿或下降沿进行轨到轨摆动。这是一种创建双态输出的简单方法，该输出在两个電(diàn)压電(diàn)平下饱和，同时还对低電(diàn)平噪声具有(yǒu)一定的免疫力。

带和不带迟滞的模拟比较器输出電(diàn)压。

為(wèi)了提供低水平的抗噪能(néng)力，模拟比较器電(diàn)路可(kě)以有(yǒu)一定的滞后，而噪声容限将取决于滞后窗口的大小(xiǎo)。由于输入三角波，滞后对开关的影响如上所示。如果输入信号有(yǒu)一些变化或噪声，滞后窗口内的任何变化都不会导致切换。在具有(yǒu)多(duō)位分(fēn)辨率的ADC 中，情况并非如此；量化電(diàn)平之间的较小(xiǎo)電(diàn)压差保持 

在运算放大器電(diàn)路中，迟滞窗口的大小(xiǎo)由反馈回路中的总電(diàn)阻与参考電(diàn)压和同相输入之间的電(diàn)阻之比决定。通过设置这两个值，可(kě)以根据特定应用(yòng)和噪声容限调整比较器的迟滞窗口。这是具有(yǒu)集成模拟比较器的 MCU 真正发挥作用(yòng)的地方，因為(wèi)它不需要这些外部電(diàn)阻器来设置迟滞窗口或阈值電(diàn)压的大小(xiǎo)。

MCU 中模拟比较器的优势

与将模拟接口的比较器与 MCU 集成的其他(tā)方法相比，直接集成到 MCU 中的模拟比较器具有(yǒu)许多(duō)优势。

简化切换。如果您只需要检测 2 种電(diàn)压状态之间的差异，集成模拟比较器是比使用(yòng)外部运算放大器電(diàn)路和 ADC 通道更好的选择。您无需编程一些数值阈值并将其转换為(wèi)固件来估计输入電(diàn)压何时真正饱和。

可(kě)编程滞后。迟滞窗口的大小(xiǎo)可(kě)以在 MCU 的固件中编程，也可(kě)以在操作期间动态设置。如果您愿意，您可(kě)以将迟滞窗口设置為(wèi)比 GPIO 输入的噪声容限更宽，从而為(wèi)您提供一个非常强大的電(diàn)路来检测开关事件。

更多(duō)的外部噪声抗扰度。运算放大器输出和 MCU 输入之间的馈線(xiàn)会产生另一个点，在该点噪声可(kě)以注入输入，然后可(kě)能(néng)会在 MCU 的 ADC/GPIO 中产生不准确的读数。通过将模拟比较器集成到 MCU 中，您消除了噪声可(kě)能(néng)进入系统的额外点。

具有(yǒu)可(kě)比输入的更少组件。当您使用(yòng)带有(yǒu)集成模拟比较器的 MCU 时，您可(kě)以降低 BOM 成本，而无需在 MCU 中使用(yòng)过多(duō)数量的输入。

可(kě)编程传播延迟。模拟比较器中的传播延迟定义為(wèi)输入信号越过开关阈值的时刻与输出状态开始改变的时刻之间的时间。一些带有(yǒu)集成比较器的 MCU 允许对该数量进行编程。通过增加传播延迟，MCU 将在切换期间消耗更少的功率。

带有(yǒu)集成模拟比较器的流行 MCU

如今，您会在市场上找到大量来自顶级制造商(shāng)的 MCU。以下是一些流行的 MCU，包括集成模拟比较器功能(néng)以及一系列其他(tā)接口：

S08PB

 S08PB MCU是一款更小(xiǎo)的 8 位器件，适用(yòng)于简单的嵌入式计算应用(yòng)。该特定器件包括两个外围设备较少的模拟比较器，并且通过消除简单模拟系统不需要的外围设备，它的封装比许多(duō)其他(tā)流行的 MCU 更小(xiǎo)。模拟系统的一些有(yǒu)用(yòng)功能(néng)包括集成运算放大器、高精度 RTC 计数器、两个灵活定时器调制器和 12 通道 ADC（12 位分(fēn)辨率）。

STM32系列

STM32 系列是最流行的 MCU系列之一，用(yòng)于需要中等处理(lǐ)能(néng)力和高总線(xiàn)宽度的嵌入式产品。这些器件以 32 位总線(xiàn)宽度运行高达 72 MHz（Arm Cortex-M4 内核）。它们还具有(yǒu)高分(fēn)辨率 ADC（12 位）和一系列具有(yǒu)高 I/O 数量的数字接口（CAN、I2C、I2S、IrDA、LIN、SPI、UART、USART、USB）。

MSP430

MSP430 MCU 系列是一系列 16 位 MCU，采用(yòng)各种封装并包括一个模拟比较器。这些 MCU 运行频率高达 25 MHz，包括集成 SRAM/FRAM、闪存、ADC、SPI/UART 以及其他(tā)接口和功能(néng)等特性。

支持您的混合信号设计的其他(tā)组件

您的 MCU 应该是混合信号设计的起点，因為(wèi)它需要与您系统中的所有(yǒu)其他(tā)数字和模拟组件连接。您的系统需要的其他(tā)一些组件包括：

支持電(diàn)路的无源器件

HMI 显示模块

用(yòng)于功率调节的 DC-DC 转换器

无線(xiàn)和网络组件