【技术专辑】使用模拟窗口检测器简化您的生活

本文是AAC模拟电路系列的一部分,它为基于ADC的窗口检测提供了一种简单而有效的替代方案。

 

根据我的经验,窗口检测是嵌入式系统中的常见要求,尤其是基于传感器的设备。一般的想法如下:您有一个模拟信号,由接口或控制电路持续监控。根据范围评估该信号的状态。在某些情况下,如果信号在指定范围内,则认为该信号是正常的。在其他情况下,信号在范围之外时是正常的。在任何一种情况下,该范围被称为窗口,并且这两种情况可以分别被描述为“窗口内”和“窗口外”。

 

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本数据表中的一个窗口检测系统的示例,该系统包含在MCU的ADC模块中。

 

“窗口内”系统的一个例子是温度传感。人类,动物甚至设备通常更喜欢不太高或太低的温度。因此,当温度超过最大值或低于最小值时,温度监测系统通常需要采取某种动作。换句话说,当温度不在指定窗口时,必须警告控制电路。另一个例子是电源电压监视器,当电源超过最大允许电压或低于最小允许电压时,它会采取某种动作。

 

“窗外”实现不太常见,我在思考一个好例子时遇到了一些麻烦。有序系统 - 生物系统,化学系统,机械系统等 - 通常对极端情况敏感,而不是对有限范围内的参数敏感。一种可能性是歧视,即消除不相关的数据,因为它显然不是由系统关注的东西产生的。我在这里想的是只需要分析某些类型物体的重量的比例。如果测量的重量在指定窗口之外,则假定该对象不相关并且不执行进一步分析。另一个想法是一种系统,如果它接近某个频率,必须衰减可变频率信号。也许这个频率存在于系统的其他地方,必须保护其免受任何干扰。只要信号的频率不在指定窗口之外,就可以使用频率 - 电压转换器和窗口检测器来警告系统。

 

模拟与数字

 

我非常熟悉基于微控制器的窗口检测,因为我经常使用提供此功能的MCU。它可以方便地集成到ADC模块中,并在数字化值超过用户定义的上限或下限阈值时触发中断。我想这个功能存在于众多混合信号微控制器中,即使不是这样,你也可以通过固件轻松完成同样的事情。

 

这种方法当然没有任何问题,特别是如果您已经在设计中使用了微控制器。但是,为了不断减少体积、成本和耗电量,工程师们需要灵活地考虑满足系统要求的新方法(或旧方法)。使用两个运算放大器,一些无源器件和两个二极管可以轻松实现窗口检测。这是一种紧凑,廉价的实现方式,可以在1)不需要微控制器或2)具有缺乏必要功能的裸机微控制器的设计中派上用场。

 

电路

 

这是基本电路:

 

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这个不会赢得任何复杂性奖励,但正如我们稍后会看到的那样,它可能不像您想象的那么简单。基本操作如下:检测窗口具有上阈值和下阈值,如图中所示。如果输入电压大于上限阈值,则U1的输出在正电源轨饱和。如果输入电压低于下限阈值,则U2的输出在正轨上饱和。如果输入电压介于两个阈值之间,则两个运算放大器输出均在负轨处饱和。因此,只要输入电压在窗口外,我们就有一个逻辑高电平输出,当它在窗口内时,我们有一个逻辑低电平输出。

 

二极管提供所需的逻辑或功能:如果任一输出为逻辑高电平,电流可以通过二极管(和负载)流到地,二极管也会阻断短路电流,否则短路电流将从一个输出流向另外,当两个运算放大器具有不同的输出状态时(只要输入电压在窗口外,就会发生这种情况)。

 

这是LTspice的实现:

 

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我正在使用轨到轨运算放大器,但考虑到这是一个比较器电路,而不是放大器,你当然可以使用比较器。

 

这是一个输出波形:

 

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正如所料,只有当输入电压介于两个阈值之间时,输出才为逻辑低。

 

细节

 

需要注意的一点是,施加在负载上的输出电压远低于电源电压,如图中所示。当然,这是由于二极管的电压降。您可以通过使用具有较低正向电压的二极管来缓解此问题,但如果您确实需要一直摆动到正轨的输出电压,则可以使用典型的CMOS双输入“或”门代替二极管。

 

此外,通过该电路,输入 - 输出关系是固定的 - 即,当输入在电压窗口内时,输出始终为低。如果下游电路需要相反的行为,则需要使用逆变器。

 

第三个并发症有点微妙。输出端的二极管排列与典型的CMOS推挽输出级有根本的不同。后者通过使用FET来建立与V DD或地的低阻抗连接来驱动输出,而前者依赖于流过正向偏置二极管的电流。这导致两种情况下的麻烦行为。首先,当非常高的负载阻抗导致非常低的二极管电流时,电路不能正常工作。如果我将负载阻抗改为10MΩ,输出如下:

 

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第二个(这与第一点有关),当运算放大器输出为低电平时,二极管不提供低阻抗接地连接。相反,它变成了开路。这意味着输出是浮动的而不是接地的,因此如果下游电路不提供接地电阻路径,则输出需要一个下拉电阻。

 

结论

 

在本文中,我们讨论了一个令人愉快的小电路,虽然简单,但可以消除对微控制器(及其相关支持电路和开发软件)的需求。该电路有一些限制,但这些都很容易解决。即使添加OR门或逆变器,整体解决方案尺寸也可能非常小。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计