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.
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.
На Рис. а...с показаны схемы подачи сигналов на компаратор МК.
Рис. Схемы подачи сигналов на аналоговый компаратор МК
а) делителем R2, R3 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 R3, C1, R5, С2 ограничивает спектр входного сигнала. Переменным резистором устанавливается порог срабатывания компаратора;
ж) компаратор принимает входной сигнал через оптопару VU1. В паузах работы МК выставляет на выходе НИЗКИЙ уровень, чтобы снизить ток потребления через резисторы R1...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 Uг[В] = 5R2 R3/(R2R3+R3R4+R2R4), где R2...R4 выражены в кОм, 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 VT1, RI, R2, HL1. Светодиод также служит индикатором питания;
к) с диодом VD1 вместо светодиода HL1 и с обнулением конденсатора С1 путем временного перевода линии МК в режим выхода с НИЗКИМ уровнем. «Зеркальный» транзистор VT1 формирует стабильный ток Iвых для других узлов устройства;
л) C генератором стабильного тока на микросхеме DA1 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;
м) «дельта-модулятор» на основе компаратора МК. Входной аналоговый сигнал программно преобразуется в выходной цифровой сигнал Uвых, 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 R1). Резистор R2 линеаризирует температурную характеристику;
п) шкала резистора R3 градуируется в вольтах (децибелах) амплитуды сигнала Uвх. 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 R1;
с) C использованием совмещённой линии порта, через которую периодически разряжается конденсатор С1 НИЗКИМ уровнем.
Источник: 1000 и одна микроконтроллерная схема. С. М. Рюмик. Вып. 1
