Внутренний аналоговый компаратор и микроконтроллер

Модуль аналогового компаратора входит практически во все современные МК. Физически компаратор представляет собой быстродействующий ОУ с большим коэффициентом усиления, частотной коррекцией и выходом на цифровой логический элемент. Обратная связь через внешний резистор с выхода на вход не предусматривается. Выходной сигнал компаратора имеет НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ логический уровень, который запоминается в программно-доступном регистре.

Компаратор сравнивает между собой по амплитуде два напряжения, присутствующие на его положительном и отрицательном входах. Результат сравнения читается из внутреннего регистра МК и может служить источником прерывания.

В целом «микроконтроллерный» компаратор очень похож на обычный «микросхемный» компаратор, но только выходной сигнал OUT, как правило, спрятан внутри. Ещё одно отличие — линии аналогового компаратора являются совмещёнными и могут настраиваться как цифровые выходы.

а) делителем R2 устанавливается порог срабатывания компаратора. Необходимость применения фильтрующих конденсаторов С1, С2 определяется экспериментально по отсутствию ложных переключений;

б) искусственное формирование противофазного сигнала на отрицательном выводе компаратора при помощи транзистора VT1. Диоды VDI, VD2создают «зону нечувствительности»;

в) выделитель переднего фронта входных импульсных сигналов. Конденсатор С1 снижает помехи, конденсатор С2 обеспечивает задержку времени («завал» фронтов импульса);

г) приём переменного напряжения малой амплитуды 50... 100 мВ. Если форма входного сигнала «синусоида», то происходит её программное преобразование в «прямоугольник»;

д) пилообразное напряжение формируется однопереходным транзистором VT1. Внутри МК программно подсчитывается время достижения равенства напряжений на обоих входах;

е) двухзвенный ФНЧ на элементах RJ, CJ, R5, С2 ограничивает спектр входного сигнала. Переменным резистором устанавливается порог срабатывания компаратора;

Применение аналогового компаратора оправдано в следующих случаях:

• при малой амплитуде входных сигналов 30...300 мВ;
• при необходимости сравнения уровней двух сигналов («больше/меньше»);
• при повышенных требованиях к быстродействию, когда внутренний АЦП уже не справляется со своими обязанностями.

ж) компаратор принимает входной сигнал черезоптопару VU1. В паузах работы МК выставляет на выходе НИЗКИЙ уровень, чтобы снизить ток потребления через резисторы R/...R3;

з) в исходном состоянии на выходе МК ВЫСОКИЙ уровень. Как только аналоговый компаратор «сработает», на выходе МК выставляется НИЗКИЙ уровень, чтобы отсечь флуктуации сигнала. Образуется гистерезисе напряжением UvВ] = 5 R2 R^/(R2 R2 + R3R4 + где R2...R4 выражены в килоомах, а число «5» соответствует напряжению питания МК в вольтах;

и) пилообразное напряжение формирует сам МК через ключ VT2 (сброс) и генератор стабильного тока на элементах VTI, RI, R2, HL1. Светодиод также служит индикатором питания;

к) аналогично Рис. 3.13, и, но с диодом VD1 вместо светодиода HL1 и с обнулением конденсатора С1 путем временного перевода линии МК в режим выхода с НИЗКИМ уровнем. «Зеркальный» транзистор VTJ формирует стабильный ток /шх для других узлов устройства;

л) аналогично Рис. 3.13, к, но с генератором стабильного тока на микросхеме DAL Пилообразное напряжение может формироваться с определенным периодом (режим автоматического измерения) или однократно (режим одиночного измерения). В последнем случае для экономии энергии в паузах на отрицательном выводе компаратора должен быть ВЫСОКИЙ уровень О;

м) «дельта-модулятор» на основе компаратора МК. Входной аналоговый сигнал программно преобразуется в выходной цифровой сигнал ишх, модулированный методом ШИМ;

н) входной сигнал может одновременно поступать на компаратор и на обычную линию порта МК, например, для перепроверки показаний или для организации сервисных функций;

о) порог срабатывания аналогового компаратора МК зависит от температуры окружающей среды (терморезистор RI). Резистор R2 линеаризирует температурную характеристику;

ri) шкала резистора R3 градуируется в вольтах (децибелах) амплитуды сигнала URX. МК фиксирует момент срабатывания компаратора и включает внешнюю сигнализацию (на схеме не показана). Можно программно варьировать скважность ШИМ, не вращая движок резистора R3

р) пилообразное (точнее, экспоненциальное) напряжение на конденсаторе С1 формируется при помощи подачи ВЫСОКОГО/НИЗКОГО уровня на верхний по схеме вывод резистора;

с) аналогично Рис.3.13, р, но с использованием совмещённой линии порта, через которую периодически разряжается конденсатор С1 НИЗКИМ уровнем.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. (Выпуск 1)