Komparatoren

Allgemeines zur Komparatoren
Programmierung der Komparatoren
Interrupts
Beispiel

Allgemeines zur Komparatoren

Viele neuere PICs sind mit analogen Komparatoren ausgestattet. Das sind z.B. die Typen

• PIC12F6xx (1 Komparator)
• PIC16F62x (2 Komparatoren)
• PIC16F87xA (2 Komparatoren)

Ein Komparator ist eine Spannungsvergleicherschaltung mit 2 analogen Eingängen und einem digitalen Ausgang.
 

Die beiden analogen Eingänge heißen '+' (positiver Eingang) und '-' (negativer Eingang). Solange die Spannung an '+' größer ist als die Spannung an '-', hat der Ausgang 'CxOUT' des Komparators digitalen High-Pegel (also logisch '1' bzw. Vdd=5V). Ist dagegen die Spannung an '+' kleiner als an '-', dann führt Ausgang 'CxOUT' des Komparators digitalen Low-Pegel (also logisch '0' bzw. Vss=0V). Als analoge Eingangsspannungen können Spannungen von den Pins RA0..RA3 zu den Komparatoreingängen geschaltet werden. Außerdem ist es möglich, die interne Referenzspannungsquelle des PIC zum '+'-Eingang der Komparatoren zuzuschalten.

Das digitale Ausgangssignal kann auch auf ein Port-Pin wieder ausgegeben werden, üblicherweise wird aber dieser Ausgang vom PIC intern digital abgefragt. Der Ausgangspegel des Komparators ist im PIC nämlich einfach ein Bit in einem Register. Fragt man im Programm dieses Bit ab,  dann weiß man, welche der beiden Spannungen momentan größer ist.

Letztendlich ist ein Komparator für einen digitalen Microcontroller die denkbar primitivste Schnittstelle zur analogen Welt. Es lassen sich damit aber viele Probleme lösen, wie z.B.:

• Überwachung von Spannungen
• Schaltregler
• Analog-Digital-Wandler
• Digitalisierung analoger Pegel
  

Programmierung der Komparatoren

Ich beziehe mich hier exemplarisch auf den PIC16F628, da er preiswert und leistungsstark ist. Für den 16F627 gilt das gleiche unverändert. Die Komparatoren der 16F87xA unterscheiden sich nicht allzusehr von denen der 16F628. Die 12F6xx weisen schon größere Unterschiede zum 16F628 auf. Wer also nicht den 16F628 benutzen möcht, lese bitte sorgfältig die Datenblätter.

Die Programmierung der Komparatoren erfolgt im Register CMCON, das z.B. beim 16F62x auf Adresse 1Fh liegt.

C2OUT (Comparator 2 output)
Dieses Bit kann man nur lesen, aber nicht beschreiben. Es handelt sich um das Ausgangssignal des Komparators 2. Durch lesen dieses Bits kann man also herausfinden, welche Eingangsspannung des Komparators 2 momentan größer ist.

C1OUT (Comparator 1 output)
Dieses Bit kann man nur lesen, aber nicht beschreiben. Es handelt sich um das Ausgangssignal des Komparators 1. Durch lesen dieses Bits kann man also herausfinden, welche Eingangsspannung des Komparators 1 momentan größer ist.

C2INV (Comparator 2 output inversion)
Oben habe ich beschrieben, das eine Komparator genau dann High am Ausgang liefert, wenn die Spannung an '+' größer ist als an '-'.
Durch setzen dieses Bits kann das umgekehrt werden. Dann verhält sich der Ausgang des Komparators 2 invers.

• 0 - normaler Komparatorausgang C2
• 1 -  Komparatorausgang C2 ist invertiert

• 0 - normaler Komparatorausgang C1
• 1 -  Komparatorausgang C1 ist invertiert

CM2, CM1, CM0 (Comparator mode)
Es gibt 8 unterschiedliche Möglichkeiten, die Komparatoren mit den Pins des PortA zu verbinden. Mit den 3 CM-Bits wählt man eine der Möglichkeiten aus.
Wie diese 8 Modes aussehen sollte jeder selber im Datenblatt nachlesen. Dort finden sich für alle 8 Modes 'Anschlusspläne' der Komparatoren.
Eingangspins, die in einem Mode einem Komparatoreingang zugewiesen sind, können nicht gleichzeitig als digitale Eingangspins (z.B. des PortA) benutzt werden. Ein Lesen der entsprechenden Bits des PortA ergibt immer den Wert 0.
Ausgangspins, die in einem Mode einem Komparatoreingang zugewiesen sind, können nicht gleichzeitig als digitale Portausgänge (z.B. des PortA) benutzt werden. Ein Schreiben der entsprechenden Bits des PortA hat keinen Einfluss auf den Ausgangspegel am Pin. Damit ein Ausgangspin auch als Ausgangspin funktioniert, muss das zugehörige Bit im TRIS-Register des Ports auf 0 gesetzt werden.

Interrupts
Jede Änderung des Augangspegels eines Komparators kann (wenn gewünscht) einen Interrupt auslösen.
Wenn sich der Ausgangspegel eines Komparators (und damit eines der Bits C1OUT oder C2OUT im Register CMCON) ändert, dann wird im Register PIR1 (0Ch) das Bit CMIF (Bit 6) gesetzt. Dieses Bit ist das sogenannte Interrupt-Flag der Komparatoren. Dieses Flag kann einen Interrupt auslösen, wenn vom Programm das Bit CMIE (comparator interrupt enable) gesetzt wurde (Bit 6 im Register PIE1 auf Adresse 8Ch) und das Bit PEIE gesetzt wurde (Bit 6 im Register INTCON)

PEIE ist der Hauptschalter für Peripherie-Interrupts, und Komparatoren gelten im PIC16F628 als Peripherie. CMIE ist dagegen der Schalter, der speziell die  Komparator-Interrupts erlaubt. Nur wenn beide Schalter eingeschaltet sind, kann das setzen von CMIF auch einen Interrupt auslösen.

Während es Interrupts muss das Bit CMIF vom Programm 'manuell'  zurückgesetzt werden. Ansonsten würde das immer noch gesetzte Bit nach Interrupt-Ende sofort wieder einen Interrupt auslösen.

Beispiel für die Komparatoren

Wer will kann sich den ADC mit Komparator anschauen. Für den Anfang wäre das aber etwas zu hoch gegriffen.

Nachfolgend ein kleines Beispiel, das mit Viktor zugesandt hat. Es verwendet einen PIC16F628, der mit einem externen 4-MHz Quartz oder Resonator getaktet wird. Es wird ständig die Spannung an RA0 (Vin-) und RA3 (Vin+) verglichen . Eine an RB0 angeschlossenen LED leuchtet, wenn die Spannung an RA3 größer als die Spannung an RA0 ist.

Kleine Denkübungen für dieses Beispiel:

1. Welcher Eingangsspannungsbereich sind für die Comperatoreingänge zulässig? Welche Schäden sind zu erwarten, wenn man diesen Bereich verlässt? Wie könnte der Schaden verhindert werden?
   
2. Wierum muss die LED angeschlossen werden, und liegt ihr anderes Ende über einen Widerstand an Vss oder Vdd?
3. Wie lässt sich der Stromverbrauch des PICs weiter vemindern? (Es gibt mindestens 2 Möglichkeiten.)
   
4. Kann man auf den Quarz/Resonator verzichten? Wenn ja, wie macht man das?