Pentru ingineri a fost mereu o provocare proiectarea, evaluarea şi depanarea unui circuit de semnal mixt cu interfeţe analogice de intrare/ieşire (I/O). Subtilităţile şi realităţile dure ale lumii reale şi lanţul de semnal analogic se combină adesea să transforme ceea ce pare un obiectiv de proiectare clar într-un proiect frustrant şi mare consumator de timp. Proiectul final este o colecţie echilibrată atent de circuite integrate analogice şi de semnal mixt – incluzând amplificatoare operaţionale, convertoare analog-digitale şi digital-analogice, comparatoare, drivere de tensiune ridicată, comutatoare analogice – ce sunt conectate pentru a constitui canalul analogic.
de Sean Long, Director, Marketing and Applications, şi
Tim Sheehan, Executive Business Manager, Maxim Integrated (www.maximintegrated.com)
Proiectul este cu atât mai dificil, dacă inginerul are o pregătire în principal digitală şi este nefamiliarizat cu proiectarea analogică, la care selecţia componentelor, nivelul fizic şi costul afectează schema circuitului de bază şi timpul până la lansarea pe piaţă. Pentru aceşti ingineri, în special pentru cei ce obişnuiesc să lucreze cu logică programabilă şi FPGA-uri, natura cablată a circuitului analogic este în contradicţie cu mentalitatea lor obişnuită la implicarea într-un nou proiect. Şi dacă aceasta nu este suficient, inginerii şi echipele de astăzi trebuie să facă faţă unei alte provocări: necesitatea de a dezvolta adesea similar, dar cumva, variaţii diferite ale circuitului de bază pentru a suporta multiple versiuni ale produsului final. De exemplu, nucleul unui controler pentru motoare trebuie să aibă intrările şi ieşirile gândite pentru o familie de motoare, fiecare cu mici diferenţe de domeniu, cerinţe de comandă şi specificaţii de performanţă.
Pentru a face acest lucru, echipa de proiect are două opţiuni, niciuna dintre ele nefiind atractivă. Ei pot construi un singur circuit atotcuprinzător cu toate versiunile integrate şi aşteptând doar configurarea de pornire, conform figurii 1a. Această abordare conduce la nevoia de a avea mai mult din toate: timp de proiectare, eforturi de depanare, componente, energie şi cost. Ca alternativă ei pot dezvolta proiecte individuale particulare pe PCB, câte una pentru fiecare versiune a produsului final. Dar în acest caz ei trebuie să aibă de-a face cu proceduri de depanare şi testare separate, probleme de producţie multiple, liste de materiale diferite, după cum se arată în figura 1b. Indiferent de strategia aleasă este o cale lungă, ce poate fi şi mai lungă dacă cineva de la marketing spune: “Hei, puteţi să adăugaţi numai câteva ieşiri digitale şi o altă intrare analogică. Nu este o chestie foarte grea, nu-i aşa?”.
Analogica programabilă permite inginerilor să-şi stabilească configuraţia analogică în cadrul circuitului integrat pentru a răspunde cerinţelor specifice aplicaţiei.
Soluţia evidentă şi poate atractivă la această dilemă de proiectare este utilizarea unui microcontroler cu intrări/ieşiri analogice integrate şi implicarea cât mai mult posibil a software-ului. Totuşi, această abordare nu lucrează adesea bine. Există prea multe deficienţe şi compromisuri, conducând la deficienţe de performanţă pe partea hardware şi prea mare răspundere şi incertitudine (de exemplu performanţe nedeterminate) pe partea software.
O alternativă – analogică programabilă
Există o altă cale de abordare a circuitelor analogice / de semnal mixt care, în principiu, rezolvă aceste probleme de proiectare, depanare, versiuni multiple, flexibilitate, I/O inadecvate, şi determinism software. Desigur că, expresia “analogică programabilă” poate însemna diferite lucruri, precum o fac şi cuvinte ca “programabil” sau chiar “buffer” sau “driver”. Ea poate însemna legarea o singură dată a interconexiunilor interne, care nu mai pot fi schimbate odată stabilite (operaţie făcută cu legături fuzibile). Sau ea poate însemna o configuraţie de legături interne fixe, dar cu parametrii funcţionali stabiliţi digital prin software de parametrizare (lăţime de bandă sau amplificare). Totuşi, circuitele integrate programabile cu aceste caracteristici au lipsă caracteristici, flexibilitate şi performanţe predictibile pe care proiectanţii le aşteaptă uzual din partea digitală prin utilizarea largă a PLD-urilor şi FPGA-urilor.
Combinaţia de configurabilitate şi autonomie conduce la o mai bună soluţie decât dispozitivele analogice de intrare/ieşire bazate pe microcontroler.
Din fericire, acum există o abordare mai bună – un circuit integrat de semnal mixt, programabil, de înaltă tensiune, optimizat pentru necesităţi de intrare/ieşire, ce se poate observa în figura 2. Acest circuit integrat dispune de un convertor analog/ digital (ADC) multicanal pe 12 biţi şi un convertor digital/analog (DAC) cu memorie tampon, multicanal pe 12 biţi. Conectate la aceste convertoare sunt 20 de porturi bipolare de semnal mixt şi înaltă tensiune, fiecare dintre acestea fiind configurabil (sau “programabil“) ca o intrare analogică ADC, ieşire analogică DAC, port de intrare de uz general (GPI), port de ieşire de uz general (GPO), sau terminal de comutaţie analogic. Suplimentar, el are un senzor de temperatură intern şi doi senzori de temperatură externi pentru a urmări evoluţia temperaturii joncţiunii şi a mediului. Acest dispozitiv MAX11300 PIXI™ este foarte potrivit pentru aplicaţii ce necesită un mixt de funcţii analogice şi digitale, cu fiecare port individual configurabil pentru una dintre cele 4 domenii de tensiune selectabile de la -10V la +10V. În operare, MAX11300 este configurat de microcontrolerul său gazdă la pornirea alimentării, şi apoi lucrează independent. Nu numai că lucrează independent de procesor şi de software-ul său, dar garantează performanţe determinabile de I/O care nu vor fi la “mila” priorităţilor sau întreruperilor procesorului.
Exemplul de aplicaţie arată puterea analogicului programabil
MAX11300 este o bună potrivire pentru o aplicaţie de semnal mixt ce necesită o rezoluţie moderată şi viteză precum controlere RF pentru dispozitive de putere în staţii de bază, controlere pentru componente optice, monitorizare şi secvenţiere surse de tensiune, şi automatizare şi control industrial.
Controlul temperaturii unui controler PWM pentru un motor de ventilator este un bun exemplu (figura 3) asupra flexibilităţii şi versatilităţii acestui dispozitiv.
Nucleul funcţiei de control este calea buclei închise formate de senzorul de temperatură şi de convertorul DAC pentru controlul motorului, cu supervizare de nivel înalt realizată de microcontroler. Dacă în cazul unei versiuni avansate de controler este nevoie de monitorizarea unor puncte suplimentare analogice precum debitul de răcire, sau alte puncte de control precum actuatoare sau supape, acelaşi MAX11300 poate fi configurat pentru aceste canale suplimentare. Sau poate în cazul unor motoare mai mari să fie nevoie de monitorizarea a două puncte de temperatură în loc de unul. Din nou, acelaşi MAX11300 poate fi configurat pentru a gestiona noua situaţie.
Avantajul unui circuit integrat cu analogică programabilă merge dincolo de flexibilitate şi configurabilitate. Implementările bazate pe hardware înseamnă că, odată stabilite, funcţiile analogice sunt fixe, deterministice în execuţie şi funcţionează în paralel cu microcontrolerul sistemului. Prin urmare, acel procesor poate fi modest din punct de vedere al caracteristicilor sale (de exemplu viteză, memorie, I/O, putere şi cost) deoarece el nu trebuie să încerce să devină un AFE (analog front end) bazat pe software. Rezultatul global este un compromis minim şi un timp mai scurt până la lansarea pe piaţă.
Proiectele de astăzi ţin cont de riscurile de dezvoltare. Flexibilitatea de dezvoltare înseamnă că schimbările în cerinţele de proiectare pot fi respectate mai uşor, fără surprize cu privire la layout sau la placă. Şi, după cum orice proiectant de circuite analogice ştie, nu există lucruri ca: “n-ar trebui să fie mare lucru să adaugi acolo încă o intrare analogică”. Utilizând acest dispozitiv de I/O programabil riscurile de dezvoltare sunt reduse, astfel încât proiectanţii pot fi mai încrezători cu privire la respectarea programului şi la performanţe. Un singur circuit integrat, şi cu toate acestea lista de materiale (BOM) va suporta multiple variaţii ale produsului final, precum: mic, mediu, mare sau de bază, avansat şi complet. Layout-ul PCB rămâne neschimbat chiar şi dacă se schimbă configuraţia canalului analogic. În acelaşi timp, software-ul de pe microcontroler poate fi reutilizat într-o mai mare măsură.
Mai departe, riscul de proiectare este redus cu MAX11300 deoarece nu este necesară o experienţă în circuite analogice şi nici timpul alocat selecţiei de componente. Circuitul este în cadrul circuitului integrat, ceea ce este destul de simplu. Desigur, un singur circuit integrat nu poate răspunde tuturor necesităţilor.
Uneltele şi suportul simplifică procesul
Însuşirile unei componente flexibile şi versatile de semnal mixt se pierd dacă nu pot fi configurate cu uşurinţă. Din fericire, configurarea MAX11300 este confortabilă chiar şi pentru inginerii specializaţi pe parte digitală care sunt familiarizaţi cu FPGA-uri şi logică programabilă, dar nu cu circuite analogice. Nu trebuie citite datele tehnice până la pagina 60 pentru a putea începe utilizarea tehnologiei PIXI a MAX11300. Trebuie numai pornită interfaţa grafică cu utilizatorul (GUI) şi vă veţi afla într-un mediu familiar, uşor de utilizat, de tip drag-and-drop ce face programarea dispozitivului uşoară şi intuitivă (figura 4).
Pentru a accelera şi mai mult adoptarea acestui dispozitiv, există multiple opţiuni de hardware şi suport. Acestea includ kit-ul de evaluare MAX11300 (EV) care furnizează o platformă dovedită pentru evaluarea MAX11300. Pentru a exersa caracteristicile circuitului integrat (figura 5), kit-ul include interfeţe grafice compatibile cu Windows XP®-, Windows Vista®-, Windows® 7-, şi Windows 8.0-/8.1.
Pentru o prototipare simplă a proiectelor PIXI, modulul periferic MAX11300PMB1 face uşoară interfaţarea MAX11300 cu orice sistem ce utilizează porturi de extensie compatibile Pmod™ configurabile pentru comunicaţie SPI (figura 6).
De ce nu un microcontroler pentru I/O de semnal mixt?
La prima vedere, o alternativă viabilă la MAX11300 şi tehnologia PIXI este un microcontroler cu I/O analogice pe cip. Dar există limitări semnificative ale soluţiei cu microcontroler. Trebuie luate în considerare aceste atribute ale MAX11300 pentru comparaţie cu abordarea cu microcontroler:
• Flexibilitatea resurselor: oricare dintre cele 20 de porturi poate fi programat ca resursă atunci când este nevoie; funcţia portului nu este fixă, precum este în cazul unui microcontroler.
• Capabilitate de înaltă tensiune, cu adevărat bipolară: fiecare port de I/O este selectabil pentru domeniile: 0 … 2,5V, ±5V, 0 … +10V şi -10V … 0V; microcontrolerele nu oferă acest lucru.
• Performanţe deterministice: odată iniţializat dispozitivul, performanţele nu vor varia sau nu vor fi dependente de configurări specifice sau de programul ce rulează pe microcontroler, indiferent de cum este MAX11300 configurat intern.
• Uşurinţă de utilizare: cunoştinţele de programare nu sunt necesare dacă se utilizează software-ul de configurare drag-and-drop disponibil pentru MAX11300.
• Operare ca dispozitiv sclav (Slave): ca dispozitiv complementar pentru produse logice digitale el îmbunătăţeşte performanţele sistemului, în loc să le diminueze.
• Intrări/ieşiri de putere ridicată: fiecare pin poate primi sau furniza un curent de până la ±25mA, adesea necesar pentru conectare directă la numeroase interfeţe precum drivere MOSFET, relee electromecanice şi chiar şi LED-uri. Pentru motive de siguranţă, fiecare pin este limitat în curent la ±50mA.
Analogica programabilă nu trebuie să fie o contradicţie
Uzual, “analogic” şi “programabil” erau două realităţi care existau foarte departe una de cealaltă. Acum numai este acest caz, ele se pot acum suporta una pe cealaltă. Un circuit integrat inovativ, programabil, analogic precum MAX11300 oferă flexibilitate în I/O critice şi funcţii de interfaţare, oferind în acelaşi timp performanţe consistente, predictibile şi independente în paralel cu un microcontroler gazdă.
MAX11300 rezolvă cele două probleme ale enigmei integrării analogice, după cum se arată în figura 7. Uzual, o integrare crescută a componentelor este contrară flexibilităţii de proiectare, în vreme ce funcţionalitatea bazată pe software face dificilă asigurarea performanţelor hardware robuste şi deterministe de semnal mixt.
MAX11300 este complementar cu logica digitală, care ia o matrice de porţi şi permite utilizatorului să le configureze pentru a răspunde cerinţelor funcţionale specifice; şi procesoarele bazate pe software, care oferă programabilitate şi re-programabilitate prin executarea de program.
Limitările tehnologiei PIXI
Toate componentele au limitări ca rezultat al inevitabilelor contrapartide legate de proiectare ce trebuie făcute de dezvoltatori. Fără limite semnificative, un dispozitiv devine greoi, solicitant energetic sau costisitor (sau chiar toate
acestea). Acesta este motivul pentru care tehnologia PIXI a MAX11300 a fost atent dezvoltată pentru a se potrivi unui număr mare de aplicaţii, dar nu tuturor. De exemplu, conversiile A/D şi D/A au o rezoluţie de 12-biţi (1 parte din 4096). Acesta este mai mult decât potrivit pentru multe măsurători şi necesităţi de control din lumea reală, dar nu este potrivit pentru instrumentaţie de precizie de înaltă clasă.
Similar, viteza de conversie de 400ksps răspunde necesităţilor unui larg segment de aplicaţii de control şi achiziţie de date, dar nu este potrivită pentru digitizarea semnalelor de foarte mare viteză. De asemenea, MAX11300 nu este o componentă autonomă ce porneşte la alimentare. Ea are nevoie de un microcontroler gazdă pentru a-i încărca specificaţiile de configurare – după care circuitul funcţionează independent. Acesta nu este chiar un neajuns, deoarece este destul de des întâlnită situaţia ca sistemele să aibă mai multe sarcini la pornire: auto-testare, verificarea I/O, calibrarea şi iniţializarea sistemului. În final, domeniul semnalului analogic este limitat la ±10V (maximum). Din nou, domeniul este ales pentru a cuprinde majoritatea semnalelor din lumea reală. Pentru semnale de intrare în afara acestui domeniu, proiectanţii pot adăuga un divizor rezistiv simplu sau un buffer. Pentru ieşiri, un driver elementar de amplificare de tensiune/putere rezolvă problema; ambele sunt circuite standard add on-uri.
Prin stabilirea unor limite bine definite ale capabilităţilor, tehnologia MAX11300 PIXI oferă un echilibru de preţ/performanţă/dimensiune. Aceasta conduce la o soluţie foarte atractivă pentru proiectanţii din mediul digital (şi alţii) care au nevoie de o soluţie de semnal mixt care să ofere flexibilitate, configurabilitate şi uşurinţă de utilizare ￭
Mai multe informaţii
Pentru datele tehnice cu privire la MAX11300, video demonstrativ şi mostre gratuite, vizitaţi: site-ul: www.maximintegrated.com/MAX11300
Despre autori
Sean Long este Director, Marketing & Aplicaţii pentru departamentul de Măsurare Medicală şi Industrială de la Maxim Integrated. Sean s-a alăturat Maxim în luna mai din anul 2012. El este licenţiat în Inginerie Electrică şi Electronică, la Aston University, Birmingham UK.
Tim Sheehan este Executive Business Manager pentru tehnologia PIXI la Maxim Integrated. Tim s-a alăturat Maxim în 1994. El are un MBA de la Paul Merage School of Business, UC Irvine, California.
Maxim Integrated
www.maximintegrated.com