Mixed-Signal-Schaltungen

(Bild: Maxim Integrated)

Mixed-Signal-Schaltungen mit diskreten analogen Ein-/Ausgängen zu entwerfen, evaluieren und debuggen stellt sich von jeher herausfordernd dar. Insbesondere, wenn Entwickler aus dem digitalen Bereich kommen und nicht auf die Schwierigkeiten von analogen Designs vorbereitet sind, bei denen Schaltungslayout und Time-to-Market stark vom Leistungsbudget sowie der Komponentenauswahl und deren Anordnung abhängen. Oft stehen die Entwicklungsteams nämlich vor einer weiteren Hürde: der Entwicklung von Hardwarevarianten, um innerhalb einer Applikationsfamilie mehrere Endprodukte zu unterstützen. Beispielsweise muss ein Motorcontroller, der in einer ganzen Familie von Motoren zum Einsatz kommt, sehr unterschiedliche I/O-Auslegungen unterstützen, denn es gelten je nach Auslegung des Motors auch unterschiedliche Strom/Spannungsbereiche, Leistungsmerkmale und Ansteuerungsanforderungen.

FPGA-ähnliche Funktionalität für Mixed-Signal-Schaltungen

Mixed-Signal-Schaltungen

Bild 1. MAX 11300 Pixi: ein konfigurierbares Hochspannungs-IC für Mixed-Signal-I/Os, das benutzerdefinierte ADC-, DAC- oder GPIO-Funktionen bietet. Maxim Integrated

Mit in Mikrocontrollern eingebetteten analogen I/Os besteht zwar ein alternativer Ansatz zu Layouts für diskret ausgelegte Mixed-Signal-Schaltungen, mit dem Entwickler nur noch ein Hardwaredesign entwickeln und debuggen müssen. In der Regel geht diese Effizienzsteigerung bei der Entwicklung allerdings einher mit einer geringeren Flexibilität, einem eingeschränkten I/O-Support sowie in deterministischer Software. Mit den programmierbaren Analog-ICs von Maxim Integrated lassen sich jedoch all diese Einschränkungen beseitigen, da sie die Vielseitigkeit von FPGA-ähnlichen Bausteinen in die Welt der Mixed-Signal-Schaltungen bringen.

Maxim MAX 11300 Pixi (siehe Bild 1) ist ein programmierbares Hochspannungs-Mixed-Signal-IC, das unterschiedliche I/O-Anforderungen unterstützt und zusammen mit einem Mikrocontroller betrieben wird. Es bietet sowohl einen 12-Bit-Mehrkanal-A/D-Wandler als auch einen 12-Bit-Mehrkanal-D/A-Wandler, an den sich bis zu 20 Mixed-Signal-, Hochspannungs-Ports anschließen lassen. Jeder Port ist konfigurierbar als ADC-Eingang, DAC-Ausgang, universeller Ein-/Ausgangsport (GPIO) oder analoger Schalter. Das IC verfügt darüber hinaus über einen internen Sensor zur Überwachung der Chiptemperatur (Junction Temperature) sowie zwei externe Sensoren zur Überwachung der Umgebungstemperatur. Das MAX 11300 läuft – nach der Konfiguration beim Einschalten eines Systems über den Host-Mikrocontroller – unabhängig von diesem. Jeder Port kann dabei individuell auf einen von vier wählbaren Spannungsbereichen zwischen -10 V bis +10 V konfiguriert werden. Damit eignet sich das IC insbesondere für Anwendungen, die eine flexible Kombination analoger und digitaler Funktionen erfordern.

Alternative zum Mikrocontroller mit eingebetteten analogen I/Os

Eck-DATEN

Der Baustein MAX 11300 Pixi überbrückt dank FPGA-ähnlicher Funktionalität die Gegensätze „analog“ und „programmierbar“. Es verfügt über eine hohe Flexibilität bei der Auslegung der I/O- und Schnittstellenfunktionen sowie eine deterministische Performance, die parallel und unabhängig vom Host-Mikrocontroller zur Verfügung steht und ihn dadurch auch nicht beansprucht. Für viele Anwendungen ist dies eine geeignete Ergänzung zur digitalen Logik, die mehrere Mixed-Signal-Schnittstellen in applikationsspezifisch variierender Auslegung benötigen.

Zwar besteht – wie bereits erwähnt – auch ein alternativer Ansatz, der Mikrocontroller mit eingebetteten analogen I/Os verwendet. Bei solchen Lösungen werden jedoch mehr Aufgaben über Software ausgeführt, was unnötig Mikrocontroller-Performance verbraucht. Gegenüber einer solchen Lösung entlastet eine MAX 11300 Pixi-basierte Lösung den Prozessor und die zugehörige Software. Zudem gewährleistet sie eine deterministische I/O-Performance, die sich nicht durch Mikrocontroller-Prioritäten oder Interrupts beeinträchtigen lässt. Die Performance ist also in keiner Weise von einer bestimmten Konfiguration oder dem Betriebscode des Mikrocontrollers abhängig. Auch bieten die meisten Mikrocontroller keinen integrierten DACs. Die Anwendung weist darüber hinaus eine hohe Flexibilität auf, da jeder der zwanzig Ports bedarfsgerecht konfiguriert werden kann, wohingegen die Ports von Mikrocontrollern in der Regel fix definiert sind. Jeder I/O-Port ist zudem bedarfsgerecht auf Spannungsbereiche von 0 bis 2,5 V, ±5 V, 0 bis +10 V und -10 V bis 0 V einstellbar, was bei Mikrocontrollern mit integrierten analogen I/Os ebenfalls nicht üblich ist. Zusätzlich lässt sich jeder Pin als Stromquelle/Senke von bis zu ±25 mA verwenden, was für den direkten Anschluss einer Vielzahl von realen Schnittstellen erforderlich ist. Zudem kann der MAX11300 Pixi auch als komplementäre Einheit mit rein digitalen Logikbausteinen zum Einsatz kommen, was deren Systemleistung – anders als bei alternativen Lösungen – nicht beeinträchtigt, sondern optimiert.

Das MAX 11300 Pixi lässt sich unkompliziert nutzen; Programmier- und Codier-Kenntnisse sind dank seiner Konfigurationssoftware nicht erforderlich. Selbst für Digitaltechniker, die mit der Analogtechnik nicht vertraut sind, aber FPGAs und andere Logikbausteine programmieren können, stellt sich die Konfiguration dieses ICs unkompliziert dar. Hierfür bietet die Maxim Pixi-GUI eine intuitiv zu bedienende Drag & Drop-Umgebung, mit der man die Skriptdatei erstellt, die bei jedem Start in das Gerät geladen wird, da MAX 11300 Pixi keinen nichtflüchtigen Speicher bietet.

Analoge Anwendungen programmieren

Das MAX 11300 Pixi-Hochspannungs-IC ist für Mixed-Signal-Schaltungen und Anwendungen ausgelegt, die eine moderate Auflösung und Geschwindigkeit erfordern. Anwendungsbereiche finden sich in Vorspannungsreglern von Hochfrequenz-Leistungsgeräten, wie sie in Basisstationen der Telekommunikationsnetze vorkommen, oder in der Überwachung und Sequenzierung der Stromversorgung sowie in einer Vielzahl von industriellen Steuerungs- und Automatisierungsapplikationen. Als ein Anwendungsbeispiel ist auch ein Motor-Controller zur temperaturabhängigen Steuerung eines Lüfters mit Pulsweitenmodulation zu nennen, anhand dessen sich die Flexibilität und Vielseitigkeit des ICs gut demonstrieren lässt. (siehe Bild 2).

Mixed-Signal-Schaltungen

Bild 2. Typisches Anwendungsbeispiel für die Steuerung und Überwachung des MAX 11300 Pixi: ein Motor-Controller zur temperaturabhängigen Steuerung eines Lüfters mit Pulsweitenmodulation. Maxim Integrated

Kern der Funktion ist der geschlossene Regelkreis (Closed Loop) vom Temperatursensor zum Analog-DAC-Ausgang des Motor-Controllers mit übergeordneter Überwachung durch einen Mikrocontroller. Der MAX 11300 Pixi lässt für die Integration zusätzlicher Kanäle konfigurieren, um zum Beispiel zusätzliche analoge Eingänge wie Kühlmittelfluss, Aktoren oder Ventile einzubinden. Eine solche Hardware-basierte Implementierung bietet den Vorteil, dass die analogen Funktionen des Systems beim Hochfahren automatisch bestimmt und parallel zum Mikrocontroller des Systems deterministisch ausgeführt werden.

Dank der analogen Funktionalität des MAX 11300 können Entwickler einen in Bezug auf Leistung, I/Os und Kosten günstigeren Hostprozessor oder Mikrocontroller wählen, denn er muss nicht die Funktion eines komplett softwarebasierten analogen Front-End-Devices übernehmen. Eine solche Tandemlösung bietet zudem eine erhebliche Flexibilitätssteigerung in der Entwicklung, da neue Designanforderungen ohne ein Re-Design des Boards umgesetzt werden können, was Designrisiken minimiert.

Im Vergleich zum traditionellen Ansatz diskreter analoger Designs reduziert die Verwendung eines einzigen Pixi-ICs die Stückliste (BOM) und unterstützt zugleich mehrere Endproduktvarianten. Das Board-Layout bleibt auch bei Konfigurationsänderungen der analogen Kanäle unverändert. Das Konstruktionsrisiko wird zudem dadurch reduziert, dass kein spezifisches Know-how für analoge Schaltungsdesigns erforderlich ist und die Probleme bei der Komponentenauswahl entfallen.

Zur Evaluierung des neuen ICs bestehen zwei Alternativen: Zum einen das Pixi-Evaluation-Kit (siehe Bild 3), das über USB mit dem PC verbunden wird. Es bietet ein Windows-kompatibles GUI, mit dem Entwickler alle Funktionen des ICs programmieren und testen können. Zudem gibt es das Pixi-Peripheriemodul mit Pmod-Port, welches das einfache Prototyping von Designs mit Pmod-Erweiterungsschnittstelle ermöglicht.

 

Massimiliano Cavazzana

Technology Marketing Manager bei Avnet Silica

Sean Long

Executive Director Applications bei Maxim Integrated

(tm)

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