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中的出現(xiàn)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(jù)主導地位，并且一直持續(xù)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(fā)掘其潛能。使用片上電壓比較器的應用不斷涌現(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，混合信號單片機設計人員的人數(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(shù)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(shù)字轉(zhuǎn)換。大多數(shù)模擬傳感器會產(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會改變自身的電感值。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(yōu)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(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，用于設置工作頻率。通過用適當?shù)淖栊浴⑷菪曰蚋行詡鞲衅魈鎿QR4、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(zhuǎn)換為數(shù)字值。Timer1的計數(shù)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(shù)，它的當前值就是轉(zhuǎn)換的結果。

圖2 使用比較器的邏輯與/或和異或電路