Creşterea complexităţii proiectelor de-alungul ultimilor 10 ani a produs multe noi tipuri de dispozitive digitale precum FPGA-urile, DSP-urile, FRAM-urile şi microcontrolerele Flash. În acelaşi timp, cerinţele pentru mai multă memorie, inteligenţă şi funcţionalitate şi înlocuirea componentelor vechi discrete şi mecanice a mărit considerabil conţinutul digital al acestor sisteme. Astfel de dezvoltări au creat de asemenea o cerere în ceea ce priveşte creşterea gamei de componente analogice de înaltă performanţă ce urmează să fie încorporate în sisteme într-o manieră eficientă.
Există multe direcţii în spatele acestei tendinţe, cel mai important factor fiind de fapt lumea reală a semnalelor precum presiunea, temperatura, mişcarea şi altele, semnale ce trebuie capturate de o componentă analogică înainte ca acestea să fie transformate în semnale digitale. Un semnal tipic reclamă anumite funcţii precum filtrare, buffering, amplificare şi conversie analog / digitală (ADC) care sunt toate realizate de dispozitivele analogice şi de semnal mixt (vezi figura 1).
Proiectarea şi fabricarea unor noi circuite integrate digitale este bazată pe o largă gamă de procese tehnologice cu o creştere a tendinţei către geometrii mai mici. Acest lucru a condus către o largă varietate de nuclee de tensiune cerute pentru multe componente digitale aflate pe placa de circuit imprimat. În trecut, aceste sisteme au fost dominate de nivelele de tensiune de 3.3V şi 5.0V. În proiectele de astăzi, tensiunea de 5.0V încă poate fi cerută de un senzor, dar procesoarele de semnal digital ar putea opera la 1.5V, microprocesoarele la 3.3V, iar cipurile de memorie la 2.5V.
Această tendinţă crează nevoia unei soluţii de management distribuit al puterii pentru a converti sursa (nivelul) principal de tensiune în diferite nivele de tensiune cerute de componente electronice variate. Aceste soluţii pot fi implementate de un chip convertor DC/DC precum regulatoarele liniare, regulatoarele în comutaţie şi circuitele de alimentare/încărcare. Alegerea uneia dintre cele trei opţiuni este determinată de cerinţele sistemului cum ar fi sensibilitatea faţă de zgomot, durata de viaţă a bateriei, spaţiul pe placa de circuit, eficienţa, costul şi multe altele (vezi figura 2).
O altă direcţie importantă spre care se îndreaptă conţinutul analogic din sistemele electronice de astăzi este aceea că unităţile principale de procesare se concentrează pe funcţiunile sale principale de a utiliza optim nevoile de putere. Aceasta impune ca multe funcţiuni ale periferiei să fie plasate extern lucru ce permite o creştere a redundanţei şi o fiabilitate mai bună.
Provocarea furnizorilor de dispozitive semiconductoare
Ţinând cont de toate aceste tendinţe, este clar că cea mai mare provocare a fabricanţilor de dispozitive semiconductoare este să ofere asemenea soluţii de sisteme care să poată asista întreaga comunitate tehnică. Pentru a se adresa cerinţelor pieţei, furnizorii de produse de dezvoltare şi activităţile de marketing se îndreaptă natural către una sau mai multe din următoarele direcţii:
a) circuite digitale complementare cu o ofertă prietenoasă de soluţii digital / analogice;
b) mai multă concentrare pe aplicaţii şi proiecte de referinţă când nu există capabilitate analogică;
c) integrarea unei game largi de blocuri funcţionale analogice cu nuclee de procesare şi memorii. Acestea sunt de fapt circuite de semnal mixt care au funcţionalitate analogică configurabilă digital, foarte uşor de utilizat de inginerii proiectanţi de sisteme digitale.
Microchip Technology este una dintre puţinele companii care oferă toate cele trei direcţii de astăzi şi mai mult, oferă flexibilitate în proiectare de înalt nivel.
Funcţiile analogice într-un proiect tipic bazat pe microcontroler
Într-o aplicaţie tipică de sistem embedded, un microcontroler sau un microprocesor reprezintă creierul sistemului. Sarcina sa este de a realiza controlul/comanda sistemului care este în principal definită de configuraţia firmware / software. Selecţia celui mai potrivit microcontroler sau microprocesor poate fi o sarcină dificilă. Viteza, memoria, complexitatea calculului, funcţiile perifericelor precum şi alte cerinţe trebuie să fie luate în seamă în momentul alegerii dispozitivului. În multe cazuri, memoria “on-board” a unităţii de procesare nu este suficientă trebuind să fie adăugat inevitabil un chip de memorie separat precum o memorie EEPROM sau Flash.
O parte importantă analogică ataşată unui microcontroler este uzual, un sistem supervizor, denumit RESET IC. Acest dispozitiv monitorizează nivelul de tensiune livrate microcontrolerului asigurându-i-se o bună funcţionare, fără erori în operare.
Multe dintre microcontrolerele de astăzi pot opera alimentate într-un domeniu larg de tensiuni numai că acestea au încă nevoie să fie protejate împotriva condiţiilor de “brown-out” sau perturbaţiilor / oscilaţiilor surselor de alimentare. În plus, un sistem extern supervizor oferă redundanţă pentru multe aplicaţii critice. Sistemul de supervizare IC tipic menţine microcontrolerul în reset până ce sursa de tensiune găseşte o valoare predeterminată.
Cu producţia de echipamente portabile în creştere, furnizarea unei tensiuni constante independent de nivelul bateriei reprezintă o cerinţă foarte importantă. Aceasta este responsabilitatea convertoarelor DC/DC care acceptă tensiunea bateriei ca o intrare şi o converteşte într-o tensiune de ieşire potrivită microcontrolerului sau altor circuite integrate logice. Selecţia celei mai potrivite scheme de convertor DC/DC se face în primul rând în funcţie de necesităţile proiectului şi bineînţeles, nu există o singură soluţie ideală pentru orice proiect.
Regulatoarele liniare sunt utilizate când sursa de putere sau tensiunea bateriei este mai mare decât tensiunea necesară pentru un circuit logic sau atunci când este nevoie de un mediu fără zgomot. Regulatoarele în comutaţie pe de altă parte, oferă înaltă eficienţă şi pot fi folosite pentru conversii ridicătoare sau coborâtoare de tensiune. Cea de-a treia opţiune nu este prea des folosită – convertoare DC/DC fără inductor (circuitele de încărcare) – utilizate în general pentru inversarea sau dublarea soluţiilor doar atunci când este prezentă o sarcină mică.
În aplicaţiile de condiţionare a semnalului, un semnal analogic trebuie să treacă prin diferite etape înainte ca el să poată fi convertit în domeniu digital, citit şi procesat de un microcontroler. Aceste etape asigură conservarea caracteristicilor semnalului (buffering) magnitudinea adecvată a semnalului pentru alte procesări (amplificarea) şi rejecţia frecvenţelor nedorite (filtrarea). Din nou, problema care se pune este de a cunoaşte cerinţele sistemului pentru alegerea corectă a amplificatorului (amplificatoarelor) operaţional(e) necesare.
O unealtă foarte utilă pentru acest lucru este filtrul activ produs de Microchip – FilterLab®. Acesta permite utilizatorului să selecteze diferite configuraţii, să ofere schemele electronice complete ale circuitelor de filtrare cu valorile componentelor şi afişarea răspunsului în frecvenţă.
Aplicaţia tipică bazată pe microcontroler cu circuite de semnal mixt şi componente analogice discrete
Figura 3 arată o aplicaţie de semnal mixt tipică. Un sistem supervizor monitorizează nivelul tensiunii pentru asigurarea unei surse de tensiune adecvate microcontrolerului şi să protejeze operarea sa în momentele de cădere a tensiunii sau de apariţie a condiţiilor de “brown-out”. Acest monitor RESET oferă de asemenea capabilităţile de reset manual ce permite utilizatorului să iniţieze un ciclu de reset cu un push-button. Câtă vreme sursa de putere are o valoare aproximativă de 5V±10, este esenţial ca această tensiune să fie redresată şi stabilizată, fără nici un zgomot pe nivelul de tensiune aplicat intrării de referinţă a convertorului A/D a microcontrolerului. Acest lucru se realizează cu ajutorul unui regulator liniar “low-dropout” – LDO care livrează tensiunea de 3.3V foarte precisă microcontrolerului. Aşa cum am discutat mai devreme referitor la o schemă tipică pe traseul unui semnal, semnalele senzorului trebuie să fie filtrate pentru eliminarea ondulaţiilor şi perturbaţiilor înainte ca acestea să fie aduse în domeniul digital. Amplificatorul operaţional prezentat în circuit corespunde acestei sarcini.
În final, cu ajutorul unui transceiver CAN, sistemul implementează acest transceiver pentru realizarea schimbului de informaţii la distanţă. Suplimentar la toate funcţiile analogice şi de semnal mixt, poate fi ataşată microcontrolerului mai multă memorie în cazul în care memoria integrată nu este suficientă.
Aşa cum s-a menţionat mai devreme, mulţi furnizori de microcontrolere şi microprocesoare sporesc integrarea funcţiilor analogice ale periferiilor în oferta lor de produse. Aceasta permite micşorarea spaţiului şi a costurilor, dar cel mai important lucru este acela că oferă soluţii simple inginerilor proiectanţi de sisteme digitale câtă vreme aceste funcţii încă pot fi controlate de firmware şi de circuitele de comandă digitale.
Concluzii
Revoluţia digitală ce a fost experimentată în timpul ultimei decade a crescut foarte mult conţinutul de circuite semiconductoare din echipamentele electronice de astăzi. Nevoia de mai înaltă performanţă şi mai multă funcţionalitate a rezultat într-un mare număr de circuite digitale şi analogice. În acelaşi timp, interacţiunea şi interdependenţa dintre componentele analogice şi digitale a devenit inevitabilă în proiectele sistemelor de astăzi, provocarea inginerilor proiectanţi devenind mai mare ca niciodată.
Mâna de ajutor venită din partea fabricanţilor de circuite semiconductoare o reprezintă oferta de soluţii de sisteme. Atât timp cât se vor furniza microcontrolere cu periferie analogică şi semnal mixt integrată se va putea oferi comunităţii tehnice flexibilitatea de alegere a diferitelor componente discrete digital analogice. Acest tip de ofertă de produse în combinaţie cu o varietate de unelte de proiectare uşor de utilizat reprezintă o importantă valoare adăugată care se traduce prin reducerea timpilor de proiectare, optimizarea performanţei sistemului şi minimizarea costurilor.
Notă: Numele şi logo Microchip, PICmicro, FilterLab sunt mărci înregistrate ale companiei Microchip Technology Inc. în USA şi alte ţări. Toate celelalte mărci sunt proprietatea respectivilor producători.
de George Paparrizos Microchip Technology Inc.