如何扭轉(zhuǎn)電壓比較器不被重視的問題

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)開始不斷涉足更多的混合信號應(yīng)用時(shí)，越來越多具有模擬背景的設(shè)計(jì)人員開始使用單片機(jī)。這些采用混合信號單片機(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到數(shù)字信號的轉(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)識到不起眼的片上電壓比較器可能給混合信號應(yīng)用帶來的價(jià)值。全面探討這個(gè)主題需要數(shù)百頁的篇幅，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)來測量該頻率。圖1顯示了兩個(gè)簡單的振蕩器電路。除了簡單這一顯而易見的優(yōu)點(diǎn)外，兩個(gè)電路由于自身會(huì)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(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。通過用適當(dāng)?shù)淖栊浴⑷菪曰蚋行詡鞲衅魈鎿QR4、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