在我们数字电子课程的第2部分中，我们将更好地了解数字电子与模拟电子相比的重要性。当您可以在两个不同的电压电平之间进行选择而不必担心控制信号的实际电位差时，系统在软件和硬件层面都会变得更加简单。在EEWeb数字电子课程的第二篇文章中，我们将了解这种电子产品的一些实际应用。因此，希望读者具备一些模拟电子的知识。
假设我们有一个由以下元素组成的系统，在图1的框图中也可见：
系统的操作包括在室温超过30°C时打开风扇。当温度降至30°C以下时，同一风扇关闭。迟滞现象目前尚未解决。使用微控制器实现该系统会非常简单方便，但了解如何使用传统分立电子元器件处理此问题是非常有用的。
图1：由电源、控制电路、温度传感器和风扇组成的模拟系统框图
第一个解决方案如图2所示，其中电路图中使用了LM35传感器，这是一种精密温度计，每摄氏度可从中获得10mV的电压。这个输出是非常线性的。LM35集成电路的输出通常很低，难以直接使用。例如，要指示27°C的温度，它只能提供0.27V的电压，这很难直接处理。因此，该信号被发送到LM358运算放大器(它也可以与单个电源一起使用)。在这里，由于两个电阻R4和R5的作用，信号被放大了10倍。然后将输出发送到第二个运算放大器，这次的具有比较器的功能，由于使用了电阻R6和R7，它们一起构成了一个分压器，当电压高于3V(精确对应于30°C的温度)到达其非反相输入时，被编程为激活。第二个运算放大器的输出理论上只有两种状态，并驱动NPN型晶体管Q1以激活风扇。
图2：数字风扇恒温器的电路图
该电路分为很多逻辑块，很容易理解，电子元件都已经计算好了。现在通过查看图3中的示波图来观察电路最重要几个点的图形是很有趣的。它由12V直流电压供电。这方面的变化导致了分压器中电阻的更换，从而使得触发电压可以被比较。上面的第一张黑色图线显示了温度域中的温度计曲线。在本例中，它介于0°C和60°C之间。下表显示了LM35传感器输出端随温度变化的一些电压。它显示了该集成电路的极端线性度。
| 温度 | LM35输出 |
| 0°C | 0V |
| 7°C | 70mV |
| 15℃ | 150 mV |
| 27℃ | 270 mV |
| 33℃ | 330 mV |
| 51℃ | 510 mV |
| 89℃ | 890 mV |
| 105℃ | 1.05V |
| 120℃ | 1.20V |
第二张蓝色图线，显示了第一个运算放大器输出端的信号趋势。它被放大了10倍，以便电路的后续阶段更易于管理。第三张绿色图线，显示了比较器输出端的信号。请注意，相对于20°C的温度，它在300mV时被激活。最后一个红色图线显示流过风扇的电流。该电流值约为100mA，完全由晶体管Q1来承受。
图3：示波器图
图4显示了一个更简单但完全等效于前一个方案的方案。它仅使用具有比较器功能的运算放大器。没有放大器阶段，但结果仍然是通过改变分压电阻R6和R7的值来实现的。它们的值允许选择一个非常低的电压，固定在LM35温度计要检测的水平上。如果要在30°C时激活电路，则有必要选择这两个电阻的值，以便使分压器提供大约300mV的电压，该电压流向运算放大器的反相端子。否则，该电路的操作与前一个相同。微调器或电位器可与电阻器R6串联使用，以精确调节恒温器的激活水平。
图4：更简便方案的电路图
即使在形形色色的地方，上述电路也可以以固定和稳定的方式使用。图5中的图形显示了设备在24小时间隔内的运行情况。从图中可以看出，输出的数字行为完全符合设计人员的要求，风扇仅在环境温度(黑色模拟迹线)超过30°C时才开启，由红色迹线决定。可以看出，输出的逻辑状态定义明确，系统仅假定两个逻辑状态：1和0(或ON和OFF)，相对趋势由下面的蓝色图形表示。
图5：数字恒温器每24小时启动和停用风扇。
在刚才观察的前几个系统中，有一个小的温度(或其他物理量)范围，电路在其中切换负载有一些困难。这是一个小电压间隙，在这个间隙中，系统在决定是打开还是关闭逻辑输出时具有“不确定率”。换句话说，要比较的电平处于难以评估的平衡位置，将其视为ON或OFF值的决定有时非常困难。
在以前的解决方案中，开关的波动可能正是发生在这个平衡位置。在这些情况下，系统开始从一种逻辑状态切换到另一种逻辑状态，因为测量点恰好位于两种逻辑状态之间。显然，这是一种需要避免的情况，尤其是对于功率器件，如果它们的切换发生得非常快，它们很容易被破坏。让我们假设传感器测量的温度正好是30°，天气波动非常小，LM35传感器的模拟电压由以下等式确定：
其中x是以小时为单位的时间，介于0和24之间，作为函数的最小值和最大值。正是在这种情况下，系统可能开始振荡，因为传感器提供的信号越过了中心比较点。负载可能会以不受控制的方式非常快速地开启和关闭。
下图中显示了来自温度传感器(底部)的不确定电压信号和风扇上流动的电流(顶部)的顺序，这可能会破坏电路。必须不惜一切代价避免这种情况。比较器的输出(类似于前面图中观察到的输出)可以是高电平或低电平，具体取决于输入信号和参考信号之间的比较结果。如果输入信号由于噪声和振荡而围绕中央开关点跳动，输出就会以不理想的方式反复打开和关闭。
为了避免此类问题，使用施密特触发器(见应用电路图图6)，其中使用了两个不同的参考电压，它们彼此相隔一定的值。这种差异被称为迟滞。如果噪声小于迟滞，比较器就不会随机切换，系统就不会受到干扰。在这个方案中，带迟滞的比较器是反相的，这意味着输出信号与输入信号相差180°，或者换句话说，它处于反相的逻辑电平。为了避免这个问题，使用了一个PNP晶体管，它允许负载在其基极上的信号为低电平时接通，反之亦然。
图6：带迟滞的恒温器电路图
图7显示了流经具有迟滞(第二张图)和没有迟滞(第三张图)的风扇的电流图。第一张图显示了来自电子温度计的信号，该信号受到一般正弦噪声的影响。具有迟滞的电路配置可滤除大量噪声，因此系统不会受到不需要的信号的影响。红线表示逻辑状态必须发生变化的点，对应于30°C(300mV)的温度。请注意，当传感器信号越过这条红线时，不确定性效应就会开始，这可能会“混淆”系统。
图7：没有迟滞的电路可能会在比较的中心点开始振荡，产生快速和重复的开关。
在我们数字电子课程的下一部分中，我们将看到专用集成电路如何使设计和构建数字电路变得越来越容易。今天，各种数字电路都非常强大，但设计却比等效的模拟方案简单得多。读者必须明白，任何系统都可以通过两个截然不同的逻辑电平(真逻辑(1)和假逻辑(0))之间的相互作用来实现。
(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Digital Electronics Course – Part 2: digital vs analog，由Ricardo Xie编译。)
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