假設(shè)實(shí)現(xiàn)各種基本構(gòu)建塊系統(tǒng)功能的最佳，最快速，最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)軟件算法和最小的方法，這很容易理解。 “硬件”（電路）。畢竟，強(qiáng)大的處理器，存儲(chǔ)器，模數(shù)（ADC）和數(shù)模（DAC）轉(zhuǎn)換器隨時(shí)可用，易于使用且相對(duì)便宜。

然而現(xiàn)實(shí)是所有基于硬件，電路的解決方案通常都是更好的方法。為了在特定情況下得出“最佳”答案，設(shè)計(jì)人員需要考慮許多設(shè)計(jì)因素和性能目標(biāo)之間的權(quán)衡。本文將從無(wú)處不在的比較器的角度探討視角，無(wú)論是否有滯后現(xiàn)象。

從基本的比較器電路開始

比較器從近處廣泛使用DC到RF，以及多種類型的系統(tǒng)和應(yīng)用。它有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的功能描述，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路或幾行代碼實(shí)現(xiàn)。

從概念上講，它同時(shí)看兩個(gè)模擬信號(hào)作為輸入，其中一個(gè)是通常是一個(gè)參考信號(hào)（圖1）。如果信號(hào)大于另一個(gè)，則它呈現(xiàn)高（邏輯1）輸出;對(duì)于相反的情況，它呈現(xiàn)低（邏輯0）輸出（圖2）。

圖1：比較器功能的符號(hào)非常簡(jiǎn)單，功能也很簡(jiǎn)單;它顯示了兩個(gè)輸入，其中一個(gè)通常（但不一定）是相對(duì)靜態(tài)的閾值。 （圖像來(lái)源：ElProCus）

圖2：在這個(gè)基本的典型應(yīng)用中，比較器通過(guò)其5伏輸出打開或關(guān)閉LED輸入信號(hào)低于或高于2.5伏閾值。 （圖像來(lái)源：ElProCus）

在許多情況下，但并非所有情況下，兩個(gè)輸入信號(hào)中的一個(gè)不是未知信號(hào)，而是一個(gè)相當(dāng)靜態(tài)的閾值，限制或警報(bào)值，第二個(gè)正在比較信號(hào)。在其他情況下，比較器用于在分集天線或多輸入/多輸出（MIMO）接收機(jī)場(chǎng)景中選擇優(yōu)選信號(hào)，以判斷兩個(gè)（或更多）動(dòng)態(tài)信號(hào)中的哪一個(gè)更強(qiáng)，因此更受歡迎。

它們還可用于物理緊湊的情況，例如硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD），以便實(shí)時(shí)確定來(lái)自磁盤盤片讀頭的失真，變化和奇形狀信號(hào)是否代表0或1，判決門限可以提前固定，也可以通過(guò)讀通道算法動(dòng)態(tài)調(diào)整。

比較器的硬件實(shí)現(xiàn)

模擬比較器使用運(yùn)算放大器很容易實(shí)現(xiàn)。盡管可以這樣做，但使用標(biāo)準(zhǔn)線性增益運(yùn)算放大器通常不是一個(gè)好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，因?yàn)殚_環(huán)增益，穩(wěn)定性和其他細(xì)微之處的問(wèn)題會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不利影響。相反，專門設(shè)計(jì)為比較器的運(yùn)算放大器是更好的選擇。這些在供應(yīng)商組件選擇列表中單獨(dú)調(diào)出。

供應(yīng)商提供的數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)比較器。代表性的比較器是ADI公司的CMP401（圖3，上圖）。這款低功耗器件包括兩個(gè)階段：模擬輸入級(jí)，可以采用+3 V單電源供電，也可以采用雙極性±6 V電源供電，然后是兼容3/5 V邏輯的數(shù)字輸出級(jí)。

關(guān)鍵性能參數(shù)是傳播延遲，它指定輸入狀態(tài)更改在輸出中顯示所需的時(shí)間。對(duì)于CMP401，此延遲僅為23納秒（ns），如圖3的示波器顯示所示。

圖3：由于其兩級(jí)設(shè)計(jì)，ADI公司的CMP401比較器可以處理與數(shù)字邏輯輸出不同的模擬信號(hào)（頂部）; 20 MHz信號(hào)的傳播延遲剛好超過(guò)20 ns（下圖）。 （圖像來(lái)源：Analog Devices，Inc。）

某些“報(bào)警”比較器設(shè)計(jì)包括鎖存，即使輸入信號(hào)回到閾值以下，比較器輸出仍保持在觸發(fā)電平。鎖定輸出有多種用途。最重要的是，它確保系統(tǒng)和處理器仍能看到輸出狀態(tài)變化，即使比較器輸入恢復(fù)到預(yù)閾值。

使用這種方法，處理器可以掃描比較器輸出定期而不是讓它中斷處理器。此外，這意味著當(dāng)輸入改變時(shí)警報(bào)輸出不會(huì)打開和關(guān)閉，這將是煩人的并且還使系統(tǒng)處理器和軟件負(fù)擔(dān)。系統(tǒng)軟件通過(guò)內(nèi)置于鎖存功能的復(fù)位線故意清除該鎖存器。

即使使用真正的比較器而不是運(yùn)算放大器，該電路仍有潛在的缺點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)彼此非常接近時(shí)，輸出將在信號(hào)經(jīng)歷其常規(guī)的微小變化時(shí)高速來(lái)回切換。在這樣做時(shí)，比較器輸出將正確但令人煩惱地在高和低狀態(tài)之間振蕩。

這可能對(duì)系統(tǒng)造成很大破壞，因?yàn)樗鼤?huì)一直指示是否超出報(bào)警條件超出并繼續(xù)中斷系統(tǒng)處理器以獲得響應(yīng)。此外，即使兩個(gè)信號(hào)的值沒(méi)有這些正常的微小變化但彼此非常接近，由布局，EMI/RFI和其他原因引起的不可避免的信號(hào)和分量噪聲將刺激比較器上的連續(xù)顫動(dòng)輸出。

幸運(yùn)的是，有一個(gè)簡(jiǎn)單的電路解決方案：向比較器電路添加遲滯（圖4）。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)比較器的一個(gè)輸入是固定的，另一個(gè)是未知信號(hào)。

圖4：滯后在原始閾值的任一側(cè)添加上限閾值和下限閾值，感興趣的信號(hào)必須超過(guò)（或低于）在比較器輸出改變狀態(tài)之前，即使信號(hào)通過(guò)閾值本身。 （圖像來(lái)源：實(shí)驗(yàn)室頁(yè)面/英國(guó)）

對(duì)于滯后，如果未知信號(hào)低于固定閾值，輸出將不會(huì)改變，直到信號(hào)超過(guò)閾值一定量（由組件值設(shè)置并超過(guò)閾值上限。同樣，如果信號(hào)高于閾值，比較器將不會(huì)改變輸出狀態(tài)，直到信號(hào)低于下限閾值相同的量（圖5）。

圖5：通過(guò)向比較器添加一對(duì)電阻，建立了上下磁滯界限;這些電阻的比率使用應(yīng)用筆記和手冊(cè)中的簡(jiǎn)單公式確定滯后量。 （圖像來(lái)源：實(shí)驗(yàn)室頁(yè)面/英國(guó)）

通常，滯后帶設(shè)置在滿量程范圍的1％到5％之間。雖然幾乎所有比較器都使用滯后來(lái)最大限度地減少抖動(dòng)，但決定其值是經(jīng)典的工程權(quán)衡。如果設(shè)置太緊，可能仍會(huì)有太多的喋喋不休;如果將其設(shè)置得更寬以進(jìn)一步減少抖動(dòng)，則可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些合法事件，直到為時(shí)已晚。請(qǐng)注意，在某些設(shè)計(jì)中，固定電阻器由軟件可控電阻器（數(shù)字電位器）代替，允許系統(tǒng)處理器根據(jù)需要更改滯后帶。

無(wú)論比較器具體如何，這種基于硬件的方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

它獨(dú)立于系統(tǒng)處理器運(yùn)行，因此不會(huì)對(duì)該資源造成任何負(fù)擔(dān)，除非有比較器輸出轉(zhuǎn)換通過(guò)中斷或數(shù)字I/O向處理器發(fā)出信號(hào)。

它是可靠的，有助于系統(tǒng)完整性，因?yàn)楦?低決策是在沒(méi)有任何軟件干預(yù)的情況下做出的，因此對(duì)安全相關(guān)的警報(bào)具有吸引力。在某些系統(tǒng)中，比較器的輸出實(shí)際上是硬連線到報(bào)警指示燈或燈。

電路可以處理快速變化的寬帶信號(hào)，其響應(yīng)僅受比較器速度的限制;可以處理千兆赫范圍信號(hào)的比較器很容易獲得。

替代硬件比較器的軟件

基于電路的比較器功能是有效的，但它有成本方面的成本。印刷電路板空間，BOM上的組件以及相對(duì)缺乏可調(diào)整性。另一種方法是使用基于軟件的信號(hào)處理并利用可能已經(jīng)存在的電路。

從概念上講，這個(gè)過(guò)程很簡(jiǎn)單。要比較的信號(hào)首先被數(shù)字化，這可能需要為系統(tǒng)功能完成。請(qǐng)注意，如果只有一個(gè)外部輸入而另一個(gè)輸入是程序設(shè)置的閾值，則只需要將一個(gè)外部輸入信號(hào)數(shù)字化。

接下來(lái)，軟件執(zhí)行簡(jiǎn)單的“比較” “數(shù)字化值或單個(gè)值與閾值數(shù)量相關(guān)，決定哪個(gè)信號(hào)更大，并將輸出標(biāo)志設(shè)置為1或0.然后反復(fù)重復(fù)此過(guò)程（圖6）。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還有一項(xiàng)額外的前期任務(wù)是在比較之前對(duì)數(shù)字化信號(hào)或信號(hào)實(shí)施加權(quán)平均。這最小化了ADC量化誤差和最低有效位（LSB）抖動(dòng)的影響。

圖6：比較器功能的核心可以用軟件實(shí)現(xiàn)，程序相對(duì)簡(jiǎn)單，遵循簡(jiǎn)單的流程圖。 （圖像來(lái)源：Digi-Key Electronics）

雖然比較器程序代碼的流程圖很簡(jiǎn)單，但最終程序?qū)⒂蓄~外的代碼來(lái)檢查特殊情況和錯(cuò)誤情況。大多數(shù)設(shè)計(jì)使用輸入樣本的一些平均值來(lái)減少輸入信號(hào)和ADC量化噪聲的影響。

現(xiàn)在的問(wèn)題是，“這個(gè)小軟件循環(huán)有多快要循環(huán)以確保它沒(méi)有錯(cuò)過(guò)數(shù)字化樣本，從而改變信號(hào)狀態(tài)？“

奈奎斯特理論提供了答案：以等于數(shù)字化的速率，數(shù)字化本身應(yīng)該至少是信號(hào)最高頻率的兩倍。實(shí)際上，采樣率通常是克服噪聲，抖動(dòng)和其他數(shù)字化偽像的最高頻率的五倍。結(jié)果是一個(gè)小的軟件循環(huán)以與信號(hào)的奈奎斯特速率相稱的速率運(yùn)行。

與基于硬件的方法類似，軟件中的簡(jiǎn)單比較會(huì)導(dǎo)致輸出抖動(dòng)。因此，必須擴(kuò)展簡(jiǎn)單流程圖以添加滯后功能（圖7）。在軟件版本中，可以根據(jù)需要輕松更改滯后值，這是優(yōu)于硬件方法的優(yōu)勢(shì)。

圖7：添加滯后需要更多代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的比較，如流程圖所示，但仍然是相對(duì)簡(jiǎn)單的程序;最終的程序?qū)⑻砑宇A(yù)期和適應(yīng)可能的錯(cuò)誤條件或工件的元素。 （圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

程序的滯后部分必須確定兩件事：

最新數(shù)據(jù)樣本是否大于（或小于）之前的數(shù)據(jù)樣本一個(gè)？

它是否越過(guò)了上限（或下限）的滯后閾值？如果兩者的答案都是“是”，則應(yīng)翻轉(zhuǎn)比較器輸出狀態(tài)。

這樣，代碼模擬基于運(yùn)算放大器的電路的功能，但硬件較少并具有額外的靈活性。但是，代碼還必須包括錯(cuò)誤和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢查，以及檢查那些在現(xiàn)實(shí)世界信號(hào)中不可避免地會(huì)發(fā)生的不可能或無(wú)意義的事件。這可確保傳感器信號(hào)，ADC或電路中的噪聲不會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出狀態(tài)。

結(jié)論

對(duì)于廣泛使用的功能，如比較器，設(shè)計(jì)人員通常可以考慮基于硬件和基于軟件的方法。軟件方法需要更少的組件并具有更大的靈活性。但是，它適用于降低速度和降低更新速率。

全硬件方法使設(shè)計(jì)人員可以放心使用熟悉的設(shè)備，可應(yīng)用于各種應(yīng)用要求，從低到低高速。在A/D轉(zhuǎn)換和軟件比較需要昂貴，耗電，高速轉(zhuǎn)換器和快速，高度可預(yù)測(cè)的軟件循環(huán)時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。

無(wú)論采用何種方法，每個(gè)都需要注意細(xì)節(jié)以避免信號(hào)偽影，抖動(dòng)和其他毛刺的不良后果。