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數位電子課程-第2部分：數位VS類比

作者 : Giovanni Di Maria

在我們數位電子課程的第2部分中，我們將更好地瞭解數位電子與類比電子相比的重要性。當您可以在兩個不同的電壓電平之間進行選擇而不必擔心控制信號的實際電位差時，系統在軟體和硬體層面都會變得更加簡單。

在《EEWeb》數位電子課程的第二篇文章中，我們將瞭解這種電子產品的一些實際應用。因此，希望讀者具備一些類比電子的知識。

實用案例：帶溫度計的風扇

假設我們有一個由以下元素組成的系統，在圖1的框圖中也可見：

供電系統。
電子控制和驅動電路。
溫度感測器。
以風扇為代表的電氣負載。

系統的操作包括在室溫超過30°C時打開風扇。當溫度降至30°C以下時，同一風扇關閉。遲滯現象目前尚未解決。使用微控制器(MCU)實現該系統會非常簡單方便，但瞭解如何使用傳統分立電子元件處理此問題是非常有用的。

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圖1：類比系統的框圖由電源供應器、控制電路、溫度感測器及風扇所組成。

第一個解決方案如圖2所示，其中電路圖中使用了LM35感測器，這是一種精密溫度計，每攝氏度可從中獲得10mV的電壓。這個輸出是非常線性的。LM35積體電路的輸出通常很低，難以直接使用。例如，要指示27°C的溫度，它只能提供0.27V的電壓，這很難直接處理。因此，該信號被發送到LM358運算放大器(它也可以與單個電源一起使用)。

在這裡，由於兩個電阻R₄和R₅的作用，信號被放大了10倍。然後將輸出發送到第二個運算放大器，這次的具有比較器的功能，由於使用了電阻R₆和R₇，它們一起構成了一個分壓器，當電壓高於3V(精確對應於30°C的溫度)到達其非反相輸入時，被程式設計為啟動。第二個運算放大器的輸出理論上只有兩種狀態，並驅動NPN型電晶體Q₁以啟動風扇。

圖2：數位風扇恆溫器的電路圖。

該電路分為很多邏輯塊，很容易理解，電子元件都已經計算好了。現在通過查看圖3中的示波圖來觀察電路最重要幾個點的圖形是很有趣的。它由12V直流電壓供電。這方面的變化導致了分壓器中電阻的更換，從而使得觸發電壓可以被比較。上面的第一張黑色圖線顯示了溫度域中的溫度計曲線。在本例中，它介於0°C和60°C之間。下表顯示了LM35感測器輸出端隨溫度變化的一些電壓。它顯示了該積體電路的極端線性度。

Temperature	LM35 Output
0° C	0 V
7° C	70 mV
15° C	150 mV
27° C	270 mV
33° C	330 mV
51° C	510 mV
89° C	890 mV
105° C	1.05 V
120° C	1.20 V

第二張藍色圖線，顯示了第一個運算放大器輸出端的信號趨勢。它被放大了10倍，以便電路的後續階段更易於管理。第三張綠色圖線，顯示了比較器輸出端的信號。請注意，相對於20°C的溫度，它在300mV時被啟動。最後一個紅色圖線顯示流過風扇的電流。該電流值約為100mA，完全由電晶體Q₁來承受。

圖3：示波圖呈現出電壓在不同溫度下的變化情形。

圖4顯示了一個更簡單但完全等效於前一個方案的方案。它僅使用具有比較器功能的運算放大器。沒有放大器階段，但結果仍然是通過改變分壓電阻R₆和R₇的值來實現的。它們的值允許選擇一個非常低的電壓，固定在LM35溫度計要檢測的水準上。

如果要在30°C時啟動電路，則有必要選擇這兩個電阻的值，以便使分壓器提供大約300mV的電壓，該電壓流向運算放大器的反相端子。否則，該電路的操作與前一個相同。微調器或電位器可與電阻器R₆串聯使用，以精確調節恆溫器的啟動水準。

圖4：相較圖2方案更為簡單且等效的方案。

長期檢測

即使在形形色色的地方，上述電路也可以以固定和穩定的方式使用。圖5中的圖形顯示了設備在24小時間隔內的運行情況。從圖中可以看出，輸出的數位行為完全符合設計人員的要求，風扇僅在環境溫度(黑色類比跡線)超過30°C時才開啟，由紅色跡線決定。可以看出，輸出的邏輯狀態定義明確，系統僅假定兩個邏輯狀態：1和0(或ON和OFF)，相對趨勢由下面的藍色圖形表示。

圖5：數位恆溫器每24小時啟動及關閉風扇。

遲滯

在剛才觀察的前幾個系統中，有一個小的溫度(或其他物理量)範圍，電路在其中切換負載有一些困難。這是一個小電壓間隙，在這個間隙中，系統在決定是打開還是關閉邏輯輸出時具有不確定率。換句話說，要比較的電平處於難以評估的平衡位置，將其視為ON或OFF值的決定有時非常困難。

在以前的解決方案中，開關的波動可能正是發生在這個平衡位置。在這些情況下，系統開始從一種邏輯狀態切換到另一種邏輯狀態，因為測量點恰好位於兩種邏輯狀態之間。顯然，這是一種需要避免的情況，尤其是對於功率器件，如果它們的切換發生得非常快，它們很容易被破壞。讓我們假設感測器測量的溫度正好是30°，天氣波動非常小，LM35感測器的類比電壓由以下等式確定：

其中x是以小時為單位的時間，介於0和24之間，作為函數的最小值和最大值。正是在這種情況下，系統可能開始振盪，因為感測器提供的信號越過了中心比較點。負載可能會以不受控制的方式非常快速地開啟和關閉。

下圖中顯示了來自溫度感測器(底部)的不確定電壓信號和風扇上流動的電流(頂部)的順序，這可能會破壞電路。必須不惜一切代價避免這種情況。比較器的輸出(類似於前面圖中觀察到的輸出)可以是高電平或低電平，具體取決於輸入信號和參考信號之間的比較結果。如果輸入信號由於雜訊和振盪而圍繞中央開關點跳動，輸出就會以不理想的方式反復打開和關閉。

為了避免此類問題，使用施密特觸發器(見應用電路圖圖6)，其中使用了兩個不同的參考電壓，它們彼此相隔一定的值。這種差異被稱為遲滯。如果雜訊小於遲滯，比較器就不會隨機切換，系統就不會受到干擾。在這個方案中，帶遲滯的比較器是反相的，這意味著輸出信號與輸入信號相差180°，或者換句話說，它處於反相的邏輯電平。為了避免這個問題，使用了一個PNP電晶體，它允許負載在其基極上的信號為低電平時接通，反之亦然。

圖6：帶遲滯的恆溫器電路。

圖7顯示了流經具有遲滯(第二張圖)和沒有遲滯(第三張圖)的風扇的電流圖。第一張圖顯示了來自電子溫度計的信號，該信號受到一般正弦雜訊的影響。具有遲滯的電路配置可濾除大量雜訊，因此系統不會受到不需要的信號的影響。紅線表示邏輯狀態必須發生變化的點，對應於30°C(300mV)的溫度。請注意，當感測器信號越過這條紅線時，不確定性效應就會開始，這可能會混淆系統。