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電壓比較器在單片機中的出現始于20世紀90年代末。當時，大家認為這項技術僅降低了成本而已。因為，這樣的比較器需要的硅器件較少，又能使單片機比較兩個模擬電壓。于是，認為電壓比較器僅僅是一個“1位ADC”的觀點始終占據主導地位，并且一直持續到21世紀的頭幾年。 幸運的是，當8位單片機開始不斷涉足更多的混合信號應用時，越來越多具有模擬背景的設計人員開始使用單片機。這些采用混合信號單片機的設計人員非常熟悉電壓比較器的靈活性和功能，便著手發掘其潛能。使用片上電壓比較器的應用不斷涌現，包括傳感器輸出的模擬信號到數字信號的轉換、邏輯門、放大器以及電源轉換。 遺憾的是，混合信號單片機設計人員的人數尚不足以有效推廣電壓比較器。因此，本文旨在使設計人員認識到不起眼的片上電壓比較器可能給混合信號應用帶來的價值。全面探討這個主題需要數百頁的篇幅，我們將盡量多地選取一些可能的應用進行闡述。 我們首先將討論傳感器-數字轉換。大多數模擬傳感器會產生與其測量的環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會改變自身的電感值。傳統的轉換方法先將電阻、電容或電感轉換為電壓，然后使用一個ADC將電壓轉換為數字值。但是，假使我們可以將傳感器的輸出直接轉換為數字值，又會怎樣？ 圖1 R/C/L傳感器-數字轉換器 利用不起眼的片內電壓比較器構建簡單的張弛振蕩器，可以將電阻、電容或電感轉換為可變的頻率，然后使用定時器外設來測量該頻率。圖1顯示了兩個簡單的振蕩器電路。除了簡單這一顯而易見的優點外，兩個電路由于自身會對輸入信號求平均，因而具有一定的噪聲抑制能力。不過，其分辨率還由采樣時間決定。 在兩個電路中，電阻R1、R2和R3提供滯回電壓，根據比較器的輸出狀態來調節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，用于設置工作頻率。通過用適當的阻性、容性或感性傳感器替換R4、C1或L1，就能構建一個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將頻率轉換為數字值。Timer1的計數頻率與振蕩器頻率相同，Timer0設置采樣周期。當Timer0溢出時，Timer1停止計數，它的當前值就是轉換的結果。 圖2 使用比較器的邏輯與/或和異或電路 這一對內部定時器與少量的外部元件和一些軟件相結合，向設計人員提供了一種使用比較器測量電阻、電感或電容的簡便方法。設計人員只需延長Timer1的計數周期，就可以提高轉換器的分辨率。 此外，大多數帶有片上比較器的新型單片機在比較器的反相輸入端上有一個2選1或4選1的模擬多路開關。只需給每個傳感器添加一個電阻R4，然后將傳感器/電阻的接點連接到多路開關的各個輸入端，設計人員就能在多達4個傳感器中選擇轉換器的輸入。 構建邏輯門只不過是將二極管邏輯與一些電阻組合起來，以實現必需的邏輯功能。圖2給出了實現了邏輯“與（AND）”和邏輯“或（OR）”功能的簡單電路，以及略為復雜的邏輯“異或（XOR）”功能的電路。 圖2中，左邊的電路實現邏輯“與”和邏輯“或”功能。要實現邏輯“與”功能，選擇R3和R4的值，使得反相輸入端的電壓高于VDD/2。要實現邏輯“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的值應相等）。在邏輯“與”配置中，A和B兩個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，才能使輸出變為高電平。在邏輯“或”配置中，A或B中必須至少有一個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，右邊的電路用于實現邏輯“異或”功能。如果A或B中有一個為低電平，那么反相輸入端將被鉗位在0.7V，若另一個輸入為高電平，就會產生高電平輸出。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——導致輸出低電平。（注：對于任何邏輯電路，選定的電阻值應足夠大以使所有電流處于1～10mA范圍內，這樣比較器的輸出驅動電路才能容易地驅動邏輯）。 圖3 同相和反相運放電路 接下來，讓我們研究如何將比較器用做低頻運放。只需使用一個足夠低頻的低通濾波器來對脈沖鏈進行濾波，任何占空比可變的數字信號均可被轉換為直流電壓。要使用比較器來構建運放，我們將使用同樣的濾波器求平均功能來生成反饋和輸出電壓（見圖3）。 在同相電路中，R1和R2如同在常規運放電路中一樣，用于確定增益。C1和R3/C2充當濾波器對比較器輸出端的PWM數字信號求均值，并將求得的結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充當平均濾波器將數字PWM信號轉換為線性電壓。注：在反相拓撲結構中，需要R7和R8來產生電路的虛擬地。 最后要講述的是開關電源電路。產生交變電源電壓的一種方法是產生由輸出反饋電壓門控的PWM開關信號。在該電路中，一個比較器產生斜坡波形，而另一個提供輸出電壓的反饋信號。圖4中的原理圖給出了使用兩個比較器的實現方案。 在該電路中，比較器U1a是一個脈沖發生器，與前面所述的將傳感器輸出轉換為數字信號的振蕩器類似，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低于約1.5V。這一點非常重要，因為U1b通過將U1a的同相輸入端拉至約0.7V來控制振蕩器的工作，使其停振。（注：振蕩器被設計為在關斷時將輸出拉為低電平，因此此時Q1也將處于截止狀態）。 圖4 使用兩個比較器的升壓式開關電源 當振蕩器運行時，Q1會定期導通，使得電流流過L1。當Q1截止時，流過L1的電流會使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過分壓后與D2上的正向電壓作比較。如果輸出電壓過高，U1b會關斷振蕩器，C2會向負載放電，從而使輸出電壓降低。當輸出電壓跌落到所需電壓以下時，U1b的輸出就會變成高電平，振蕩器重新起振，將重新有電流流向C2。 有了電壓比較器，可以實現將R/C/L傳感器的輸出轉換為數字值的電路、邏輯門和放大器，甚至是開關電源，所有這些都能通過分立式元件和比較器構建。 因此，當下次查找單片機時，若看見帶有比較器的器件，請停下來思考一下使用比較器能夠構建的復雜功能，這可以節省在材料方面的開銷。作為混合信號設計人員，能夠說明簡單電壓比較器的強大功能，別人將刮目相看。 |
