Brauchen Sie einen Analogkomparator in Ihrer MCU?

Dieser Industriecomputer kann von einer MCU mit einem integrierten Analogkomparator profitieren.

Ich weiß noch, wie ich im Elektronikunterricht an der Uni meinen ersten Analogkomparator mit einem LM358-Operationsverstärker gebaut habe. Solche einfachen Schaltungen scheinen nicht immer einen praktischen Nutzen zu haben, bis man anfängt, sie in echte Systeme für seine Kunden einzubauen. Ein analoger Komparator lässt sich leicht mit einer positiven Rückkopplung in einer Operationsverstärkerschaltung aufbauen, aber man benötigt immer etwas Platz auf der Platine mit dem Operationsverstärker-IC und zusätzlichen Komponenten in der Rückkopplungsschleife.

Wie sieht es mit der Arbeit mit einem analogen Komparator und Ihrer MCU aus? Ihre MCU verfügt über zahlreiche integrierte Funktionen und E/As. Eine Möglichkeit, einen Komparatorausgang mit Ihrer MCU zu verwenden, ist einer der GPIOs. Eine bessere Möglichkeit ist die Suche nach einer MCU mit integrierter Komparatorschaltung, die eine externe Op-Amp-Schaltung oder einen Komparator-IC überflüssig macht. Im Folgenden erfahren Sie, wie diese Schaltungen in Ihrem Design funktionieren und welche gängigen MCUs diese Funktion enthalten.

Was ist ein Analogkomparator?

Ein Analogkomparator ist im Grunde ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler. Sobald die in den Komparator eingegebene Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wechselt das Gerät den Zustand zwischen seinen niedrigen und hohen Spannungswerten. Ein Analogkomparator kann ein invertierendes oder nichtinvertierendes Gerät sein. Bei einem nicht invertierenden Gerät löst die ansteigende Flanke des Eingangssignals den Wechsel des Komparatorausgangs vom niedrigen zum hohen Spannungszustand aus, und umgekehrt bei der abfallenden Flanke. Bei einem invertierenden Komparator kehrt sich das Verhalten um.

In einer analogen Komparatorschaltung mit Operationsverstärker wird normalerweise eine positive Rückkopplung verwendet, um sicherzustellen, dass der Ausgang in die Sättigung geht, sobald die Eingangsspannung über die externe Referenzspannung steigt. Mit anderen Worten: Der Operationsverstärker schwingt bei der steigenden oder fallenden Flanke des Eingangssignals von Schiene zu Schiene. Auf diese Weise lässt sich auf einfache Weise ein Ausgang mit zwei Zuständen erzeugen, der bei zwei Spannungspegeln in die Sättigung geht und gleichzeitig eine gewisse Immunität gegen schwaches Rauschen bietet.

Ausgangsspannung des Analogkomparators mit und ohne Hysterese.

Um eine geringe Rauschimmunität zu erreichen, können analoge Komparatorschaltungen eine gewisse Hysterese aufweisen, und die Rauschmarge hängt von der Größe des Hysteresefensters ab. Die Auswirkung der Hysterese auf das Schalten aufgrund einer Dreieckswelle am Eingang ist oben dargestellt. Wenn das Eingangssignal eine gewisse Schwankung oder ein Rauschen aufweist, führt jede Schwankung innerhalb des Hysteresefensters nicht zum Umschalten. Bei einem ADC mit mehreren Auflösungsbits wäre dies nicht der Fall; der geringere Spannungsunterschied zwischen den Quantisierungsstufen hält

In der Operationsverstärkerschaltung wird die Größe des Hysteresefensters durch das Verhältnis zwischen dem Gesamtwiderstand in der Rückkopplungsschleife und dem Widerstand zwischen der Referenzspannung und dem nichtinvertierenden Eingang bestimmt. Durch die Einstellung dieser beiden Werte kann das Hysteresefenster des Komparators an eine bestimmte Anwendung und Rauschspanne angepasst werden. Hier kommt eine MCU mit integriertem Analogkomparator voll zur Geltung, da diese externen Widerstände zur Einstellung der Größe des Hysteresefensters oder der Schwellenspannungen nicht erforderlich sind.

Vorteile eines Analogkomparators in Ihrer MCU

Ein direkt in Ihre MCU integrierter Analogkomparator bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Methoden zur Integration eines Komparators für eine analoge Schnittstelle mit Ihrer MCU.

• Vereinfachtes Schalten. Wenn Sie nur die Differenz zwischen zwei Spannungszuständen erkennen müssen, ist ein integrierter Analogkomparator eine bessere Option als die Verwendung einer externen Operationsverstärkerschaltung und eines ADC-Kanals. Sie müssen keinen numerischen Schwellenwert und keine Umrechnung in Ihre Firmware programmieren, um abzuschätzen, wann die Eingangsspannung wirklich gesättigt ist.
• Programmierbare Hysterese. Die Größe des Hysterese-Fensters kann in der Firmware der MCU programmiert oder während des Betriebs dynamisch eingestellt werden. Wenn Sie möchten, können Sie das Hysterese-Fenster so einstellen, dass es breiter ist als die Rauschspanne eines GPIO-Eingangs, wodurch Sie eine sehr robuste Schaltung zur Erkennung von Schaltvorgängen erhalten.
• Mehr Immunität gegen externes Rauschen. Die Zuleitung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem Eingang der MCU schafft einen weiteren Punkt, an dem Rauschen in den Eingang eingespeist werden kann, was dann zu einem ungenauen Messwert im ADC/GPIO der MCU führen könnte. Durch die Integration des Analogkomparators in die MCU haben Sie diesen zusätzlichen Punkt, an dem Rauschen in das System eindringen kann, eliminiert.
• Weniger Komponenten bei vergleichbaren Eingängen. Sie können Ihre Stücklistenkosten reduzieren, ohne eine übermäßige Anzahl von Eingängen in Ihrer MCU zu verwenden, wenn Sie eine MCU mit einem integrierten Analogkomparator verwenden.
• Programmierbare Ausbreitungsverzögerung. Die Ausbreitungsverzögerung in einem analogen Komparator ist definiert als die Zeit zwischen dem Moment, in dem das Eingangssignal die Schaltschwelle überschreitet, und dem Moment, in dem sich der Ausgangszustand zu ändern beginnt. Bei einigen MCUs mit integriertem Komparator kann diese Größe programmiert werden. Durch Vergrößerung der Ausbreitungsverzögerung verbraucht die MCU beim Schalten weniger Strom.

Beliebte MCUs mit integriertem Analogkomparator

Heutzutage finden Sie auf dem Markt eine Vielzahl von MCUs der führenden Hersteller. Im Folgenden finden Sie einige beliebte MCUs mit integrierten Analogkomparator-Funktionen und einer Reihe anderer Schnittstellen:

NXP Semiconductors, S08PB

Die S08PB MCU von ON Semiconductor ist ein kleinerer 8-Bit-Baustein für einfache Embedded-Computing-Anwendungen. Dieser Baustein enthält zwei analoge Komparatoren mit weniger Peripheriegeräten und ist in einem kleineren Gehäuse untergebracht als viele andere gängige MCUs, da unnötige Peripheriegeräte für einfachere analoge Systeme weggelassen wurden. Zu den nützlichen Funktionen für analoge Systeme gehören ein integrierter Operationsverstärker, ein hochpräziser RTC-Zähler, zwei flexible Timer-Modulatoren und ein 12-Kanal-ADC (12-Bit-Auflösung).

Blockschaltbild für die MC9S08PB8MTG MCU von NXP Semiconductors. Aus dem MC9S08PB8MTG-Datenblatt.

STMicroelectronics, STM32-Serie

Die STM32-Serie von STMicroelectronics ist eine der beliebtesten MCU-Reihen, die in Embedded-Produkten eingesetzt werden, die eine moderate Verarbeitungsleistung und eine hohe Busbreite erfordern. Diese Bausteine arbeiten mit bis zu 72 MHz (Arm Cortex-M4-Kern) bei 32 Bit Busbreite. Sie verfügen außerdem über einen hochauflösenden ADC (12 Bit) und eine Reihe digitaler Schnittstellen (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) mit hoher E/A-Anzahl.

Texas Instruments, MSP430

Die MSP430 MCU-Familie von Texas Instruments ist eine Reihe von 16-Bit-MCUs, die in verschiedenen Gehäusen erhältlich sind und einen Analogkomparator enthalten. Diese MCUs laufen mit bis zu 25 MHz und verfügen über Funktionen wie integriertes SRAM/FRAM, Flash-Speicher, ADC, SPI/UART und andere Schnittstellen und Funktionen.

Funktionsblockdiagramm für die MSP430FR5727 MCU von Texas Instruments. Aus dem MSP430FR5727-Datenblatt.

Weitere Komponenten zur Unterstützung Ihrer Mixed-Signal-Designs

Ihre MCU sollte der Ausgangspunkt für ein Mixed-Signal-Design sein, da sie die Schnittstelle zu allen anderen digitalen und analogen Komponenten in Ihrem System bilden muss. Einige andere Komponenten, die Ihr System benötigt, sind:

• Passive für unterstützende Schaltungen
• Anzeigemodule für HMI
• DC-DC-Wandler für die Leistungsregelung
• Drahtlose und vernetzte Komponenten

Wenn Sie eine MCU oder einen anderen Prozessor mit integriertem Analogkomparator auswählen müssen, können Sie alle benötigten Teile mit den erweiterten Such- und Filterfunktionen von Octopart finden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart verwenden, haben Sie Zugang zu einem vollständigen Satz von Händlerdaten und Bauteilspezifikationen, die alle über eine benutzerfreundliche Schnittstelle frei zugänglich sind. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite für eingebettete Prozessoren und Steuerungen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.