如何扭轉(zhuǎn)電壓比較器不被重視的問(wèn)題

電壓比較器在單片機(jī)中的出現(xiàn)始于20世紀(jì)90年代末。當(dāng)時(shí)，大家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)僅降低了成本而已。因?yàn)?，這樣的比較器需要的硅器件較少，又能使單片機(jī)比較兩個(gè)模擬電壓。于是，認(rèn)為電壓比較器僅僅是一個(gè)“1位ADC”的觀點(diǎn)始終占據(jù)主導(dǎo)地位，并且一直持續(xù)到21世紀(jì)的頭幾年。

幸運(yùn)的是，當(dāng)8位單片機(jī)開(kāi)始不斷涉足更多的混合信號(hào)應(yīng)用時(shí)，越來(lái)越多具有模擬背景的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始使用單片機(jī)。這些采用混合信號(hào)單片機(jī)的設(shè)計(jì)人員非常熟悉電壓比較器的靈活性和功能，便著手發(fā)掘其潛能。使用片上電壓比較器的應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，包括傳感器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、邏輯門、放大器以及電源轉(zhuǎn)換。

遺憾的是，混合信號(hào)單片機(jī)設(shè)計(jì)人員的人數(shù)尚不足以有效推廣電壓比較器。因此，本文旨在使設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到不起眼的片上電壓比較器可能給混合信號(hào)應(yīng)用帶來(lái)的價(jià)值。全面探討這個(gè)主題需要數(shù)百頁(yè)的篇幅，我們將盡量多地選取一些可能的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

我們首先將討論傳感器-數(shù)字轉(zhuǎn)換。大多數(shù)模擬傳感器會(huì)產(chǎn)生與其測(cè)量的環(huán)境因素成比例的阻值、電感或電容值的變化。熱敏電阻阻值的變化與溫度成比例，濕度傳感器改變其電容值，而某些接近傳感器甚至?xí)淖冏陨淼碾姼兄?。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換方法先將電阻、電容或電感轉(zhuǎn)換為電壓，然后使用一個(gè)ADC將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。但是，假使我們可以將傳感器的輸出直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，又會(huì)怎樣？

圖1  R/C/L傳感器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

利用不起眼的片內(nèi)電壓比較器構(gòu)建簡(jiǎn)單的張弛振蕩器，可以將電阻、電容或電感轉(zhuǎn)換為可變的頻率，然后使用定時(shí)器外設(shè)來(lái)測(cè)量該頻率。圖1顯示了兩個(gè)簡(jiǎn)單的振蕩器電路。除了簡(jiǎn)單這一顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)外，兩個(gè)電路由于自身會(huì)對(duì)輸入信號(hào)求平均，因而具有一定的噪聲抑制能力。不過(guò)，其分辨率還由采樣時(shí)間決定。

在兩個(gè)電路中，電阻R1、R2和R3提供滯回電壓，根據(jù)比較器的輸出狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)比較器跳變電平的大小。左邊電路中的R4和L1與右邊電路中的R4和C1作用相同，用于設(shè)置工作頻率。通過(guò)用適當(dāng)?shù)淖栊?、容性或感性傳感器替換R4、C1或L1，就能構(gòu)建一個(gè)頻率可隨傳感器輸出值變化的變頻振蕩器。然后使用Timer0和Timer1將頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。Timer1的計(jì)數(shù)頻率與振蕩器頻率相同，Timer0設(shè)置采樣周期。當(dāng)Timer0溢出時(shí)，Timer1停止計(jì)數(shù)，它的當(dāng)前值就是轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

圖2 使用比較器的邏輯與/或和異或電路


這一對(duì)內(nèi)部定時(shí)器與少量的外部元件和一些軟件相結(jié)合，向設(shè)計(jì)人員提供了一種使用比較器測(cè)量電阻、電感或電容的簡(jiǎn)便方法。設(shè)計(jì)人員只需延長(zhǎng)Timer1的計(jì)數(shù)周期，就可以提高轉(zhuǎn)換器的分辨率。
此外，大多數(shù)帶有片上比較器的新型單片機(jī)在比較器的反相輸入端上有一個(gè)2選1或4選1的模擬多路開(kāi)關(guān)。只需給每個(gè)傳感器添加一個(gè)電阻R4，然后將傳感器/電阻的接點(diǎn)連接到多路開(kāi)關(guān)的各個(gè)輸入端，設(shè)計(jì)人員就能在多達(dá)4個(gè)傳感器中選擇轉(zhuǎn)換器的輸入。

構(gòu)建邏輯門只不過(guò)是將二極管邏輯與一些電阻組合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)必需的邏輯功能。圖2給出了實(shí)現(xiàn)了邏輯“與（AND）”和邏輯“或（OR）”功能的簡(jiǎn)單電路，以及略為復(fù)雜的邏輯“異或（XOR）”功能的電路。

圖2中，左邊的電路實(shí)現(xiàn)邏輯“與”和邏輯“或”功能。要實(shí)現(xiàn)邏輯“與”功能，選擇R3和R4的值，使得反相輸入端的電壓高于VDD/2。要實(shí)現(xiàn)邏輯“或”功能，選擇可使反相輸入端的電壓略低于VDD/2的值。（R1和R2的值應(yīng)相等）。在邏輯“與”配置中，A和B兩個(gè)輸入端必須同為高電平以將同相輸入端的電壓拉高到VDD/2之上，才能使輸出變?yōu)楦唠娖?。在邏輯“或”配置中，A或B中必須至少有一個(gè)為高電平以將同相輸入端的電壓拉至VDD/2，才能拉高輸出電平。要構(gòu)建邏輯“非與（NAND）”或“非或（NOR）”電路，只需將反相和同相輸入端交換即可。

圖2中，右邊的電路用于實(shí)現(xiàn)邏輯“異或”功能。如果A或B中有一個(gè)為低電平，那么反相輸入端將被鉗位在0.7V，若另一個(gè)輸入為高電平，就會(huì)產(chǎn)生高電平輸出。如果A和B均為高電平，那么同相輸入端的電壓將保持為略低于VDD，而反相輸入端被拉至VDD——導(dǎo)致輸出低電平。（注：對(duì)于任何邏輯電路，選定的電阻值應(yīng)足夠大以使所有電流處于1～10mA范圍內(nèi)，這樣比較器的輸出驅(qū)動(dòng)電路才能容易地驅(qū)動(dòng)邏輯）。

圖3 同相和反相運(yùn)放電路



接下來(lái)，讓我們研究如何將比較器用做低頻運(yùn)放。只需使用一個(gè)足夠低頻的低通濾波器來(lái)對(duì)脈沖鏈進(jìn)行濾波，任何占空比可變的數(shù)字信號(hào)均可被轉(zhuǎn)換為直流電壓。要使用比較器來(lái)構(gòu)建運(yùn)放，我們將使用同樣的濾波器求平均功能來(lái)生成反饋和輸出電壓（見(jiàn)圖3）。

在同相電路中，R1和R2如同在常規(guī)運(yùn)放電路中一樣，用于確定增益。C1和R3/C2充當(dāng)濾波器對(duì)比較器輸出端的PWM數(shù)字信號(hào)求均值，并將求得的結(jié)果作為反饋的直流電平和電路的線性輸出。在反相電路中，R4和R5確定增益，C3和R6/C4充當(dāng)平均濾波器將數(shù)字PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性電壓。注：在反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，需要R7和R8來(lái)產(chǎn)生電路的虛擬地。

最后要講述的是開(kāi)關(guān)電源電路。產(chǎn)生交變電源電壓的一種方法是產(chǎn)生由輸出反饋電壓門控的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)。在該電路中，一個(gè)比較器產(chǎn)生斜坡波形，而另一個(gè)提供輸出電壓的反饋信號(hào)。圖4中的原理圖給出了使用兩個(gè)比較器的實(shí)現(xiàn)方案。

在該電路中，比較器U1a是一個(gè)脈沖發(fā)生器，與前面所述的將傳感器輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的振蕩器類似，其工作頻率由R4、R5和C1決定。電路中R5的作用是確保C1上的充電電壓絕不會(huì)低于約1.5V。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)閁1b通過(guò)將U1a的同相輸入端拉至約0.7V來(lái)控制振蕩器的工作，使其停振。（注：振蕩器被設(shè)計(jì)為在關(guān)斷時(shí)將輸出拉為低電平，因此此時(shí)Q1也將處于截止?fàn)顟B(tài)）。

圖4 使用兩個(gè)比較器的升壓式開(kāi)關(guān)電源

當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，Q1會(huì)定期導(dǎo)通，使得電流流過(guò)L1。當(dāng)Q1截止時(shí)，流過(guò)L1的電流會(huì)使D3正偏，從而給C2充電，繼而抬高輸出電壓。C2上采樣得到的輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓后與D2上的正向電壓作比較。如果輸出電壓過(guò)高，U1b會(huì)關(guān)斷振蕩器，C2會(huì)向負(fù)載放電，從而使輸出電壓降低。當(dāng)輸出電壓跌落到所需電壓以下時(shí)，U1b的輸出就會(huì)變成高電平，振蕩器重新起振，將重新有電流流向C2。

有了電壓比較器，可以實(shí)現(xiàn)將R/C/L傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的電路、邏輯門和放大器，甚至是開(kāi)關(guān)電源，所有這些都能通過(guò)分立式元件和比較器構(gòu)建。

因此，當(dāng)下次查找單片機(jī)時(shí)，若看見(jiàn)帶有比較器的器件，請(qǐng)停下來(lái)思考一下使用比較器能夠構(gòu)建的復(fù)雜功能，這可以節(jié)省在材料方面的開(kāi)銷。作為混合信號(hào)設(shè)計(jì)人員，能夠說(shuō)明簡(jiǎn)單電壓比較器的強(qiáng)大功能，別人將刮目相看。