Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) - неотъемлемый элемент любой цифровой системы, взаимодействующей с реальным миром. Несмотря на многообразие программируемых цифровых ИС (микроконтроллеры, ПЛИС) со встроенным модулем АЦП, интегральные схемы АЦП (как самостоятельная категория продукции) по прежнему остаются востребованными по ряду причин, в т.ч.:

• Некоторые ИС АЦП обладают рабочими характеристиками, которые просто недоступны во встроенном исполнении;
• Отдельная ИС АЦП может быть установлена максимально близко к точке подачи на плату аналогового сигнала, что упрощает трассировку печатной платы и минимизирует влияние помех;
• За заявленные рабочие характеристики встроенного АЦП, ввиду непосредственного соседства с «шумящими» цифровыми блоками, как правило, приходится изрядно бороться применением алгоритмов цифровой фильтрации и калибровки, отключением некоторых цифровых блоков на время преобразования, что затягивает процесс разработки и отладки микропрограммного обеспечения и усложняет процедуру настройки в процессе производства.

Один из самых обширных ассортиментов ИС АЦП предлагает компания Maxim Integrated Products. Выпускаемая ею линейка АЦП насчитывает более 400 наименований, причем основная ее часть - прецизионные АЦП на частоту дискретизации до 5 МГц. В рамках данной группы АЦП пользователь имеет возможность выбора микросхемы с наиболее подходящим цифровым интерфейсом, в т.ч. последовательным (1-Wire, I²C, SPI/QSPI/MICROWAVE) или параллельным (8/12/14/16 бит). Кроме того, прецизионные АЦП Maxim классифицируются по разрешающей способности и числу каналов, в т.ч. 8/14/16 бит 1/2/4/8 каналов; 10 бит 1/2/4/5/8/10/12/16 каналов; 12 бит 1/2/4/6/8/10/12/16 каналов и 18 бит 5 каналов. В ассортимент Maxim также входят высокобыстродействующие 6/8/10/12/14/16-битные АЦП на частоту дискретизации свыше 5 МГц, АЦП двойного интегрирования и с интерфейсом светодиодных и жидкокристаллических дисплеев, а также АЦП специального назначения, в т.ч. для сенсорных интерфейсов и аналоговых интерфейсов коммуникационного оборудования. Пользователю предоставляется возможность найти АЦП по подходящему типу входного интерфейса (дифференциальный/несимметричный, однополярный/двухполярный) с возможностью одновременного преобразования нескольких каналов и автоматизацией управления преобразованиями. Граничные возможности по разрешающей способности и быстродействию демонстрируют четырехканальный дифференциальный сигма-дельта АЦП MAX11040 на разрешающую способность 24 бит и 8-битный АЦП MAX109 на частоту дискретизации 2,2 ГГц для прямой оцифровки РЧ-сигналов.

Поскольку технологии встраиваемых модулей АЦП не стоят на месте, компания Maxim стремится к непрерывному совершенствованию своей продукции, добавляя к ней особенности, оправдывающие применение отдельного и, как правило, недешевого АЦП. Рассмотрим совершенствование АЦП на примере новинок предшествующих двух лет.

АЦП одновременного преобразования

Компания Maxim существенно обновила линейку АЦП одновременного преобразования, которые находят широкое применение в промышленной электронике для оцифровки сигналов токов и напряжений трехфазной сети, в медицинском диагностическом оборудовании, а также в набирающих популярность интеллектуальных приборах учета потребления электрической энергии. В частности, 8-канальный 16-битный АЦП MAX11046 (рис. 1) обладает такими характеристиками, которые превосходят требования ГОСТ Р 52323-2005 к счетчикам активной энергии класса точности 0.2.

Рис. 1. Структурная схема MAX11046

Помимо отличных рабочих характеристик, микросхема поддерживает ряд возможностей, направленных на снижение себестоимости конечного решения, в т.ч.:

• Отсутствие необходимости в отрицательном напряжении питания при работе с двухполярным входным сигналом;
• Отсутствие потребности во внешних буферных усилителях благодаря высокому входному сопротивлению;
• Одновременная оцифровка восьми каналов одной микросхемой, а не двумя (как в случае использования продукции конкурирующих компаний);
• Минимизация схемы защиты от перенапряжений до уровня одного включенного последовательно резистора с помощью ограничителя на каждом входе;
• Встроенный ИОН (4,096 В);
• Миниатюрный 56-выводной корпус TQFN (6х6 мм), обеспечивающий рекордную плотность каналов на печатной плате.

Инновационная архитектура АЦП MAX11046 доступна в составе других АЦП, различающихся числом каналов и входным диапазоном. Сведения по ним представлены в таблице 1. Представленные АЦП рассчитаны на работу при температурах -40...85°С.

Еще одна новинка в рассматриваемой группе АЦП - MAX11043. Данный АЦП в 40-выводном корпусе TQFN (6х6 мм) содержит четыре канала одновременного преобразования и отличается более высокой степенью интеграции:

• Аналоговый фильтр, программируемый усилитель (Ку = 1...64) и функция EQ для автоматического усиления слабых высокочастотных сигналов на каждом входе;
• Двухкаскадный ЦАП: два 8-битных ЦАП для грубой регулировки и один 12-битный ЦАП для плавной регулировки (типичное назначение: управление регулируемым генератором (ГУН));
• Встроенный ИОН (2,5 В).

Помимо программируемых усилителей и фильтров, MAX11043 поддерживает еще ряд возможностей, повышающих гибкость его применения, в т.ч. возможность подключения внешнего ИОН (2...2,8 В), экономичный режим работы, детальную конфигурацию каждого канала с возможностью хранения настроек во встроенной flash-памяти, а также возможность оцифровки несимметричных и дифференциальных сигналов.

Так же, как и предыдущие АЦП, MAX11046 обладает отличными рабочими характеристиками (SFDR 90 дБ, отсутствие пропущенных кодов, частота дискретизации четырех каналов 400 кГц), однополярным питанием (3...3,6 В) и малой занимаемой площадью. Уникальной особенностью MAX11046 является сохранение его рабочих характеристик в температурном диапазоне -40...125°С.

Перечисленный набор особенностей АЦП MAX11046, в дополнение к указанным выше типичным областям применения АЦП одновременного преобразования, делает актуальным его использование в датчиках уровня и расхода.

MAX11040 - еще одна четырехканальная новинка в рассматриваемой группе АЦП. Уникальность этого АЦП заключается в 24-битной разрешающей способности и чрезвычайной простоте применения. АЦП оснащен каскадируемым SPI/QSPI/MICROWIRE-совместимым последовательным интерфейсом, который, не требуя раздельного управления выводом CS (chip select - выбор микросхемы), позволяет подключить к одной последовательной шине до восьми микросхем (общее число каналов 32). Это означает, что шина подключения к МК всегда состоит из равного числа линий, независимо от числа каскадируемых АЦП. Как минимум это четыре линии. Дополнительно можно задействовать еще до трех линий для опроса флагов готовности данных, сигнализации выхода за пределы диапазона и аварийного состояния на входе.

MAX11040 поддерживает возможность компенсации фазовых сдвигов, созданных источниками сигналов (резистивные делители, трансформаторы или фильтры), путем введения задержки программируемой длительности (0...333 мкс). Данная особенность, совместно с такими характеристиками MAX11040, как SINAD 90 дБ и SFDR 91 дБ, ориентирует его на применение в релейной защите электротехнического и энергетического оборудования, медицинских электрокардиографах и электроэнцефалографах, а также в другом оборудовании, где требуется одновременная оцифровка до четырех каналов с частотой 0,25...64 кГц.

Дополнительными факторами снижения себестоимости являются встроенная защита входов от перенапряжений до ±6 В, встроенные ИОН (2,5 В, 50 ppm/°C) и кварцевый генератор, а также малая занимаемая площадь 38-выводного корпуса TSSOP (9,7х6,4 мм). АЦП рассчитан на работу при температуре -40...105°С и напряжении питания 3...3,6 В (полный входной диапазон ±2,2 В).

АЦП для систем сбора данных

Специально для систем сбора данных, которые работают с разнообразными источниками сигналов (датчиками), компания Maxim разработала микросхему MAX1329. MAX1329 выполнена на основе 12-битного АЦП (поддерживается возможность увеличения разрешения до 16 бит) и дополнена разнообразными аналоговыми и цифровыми блоками, которые превращают ее в однокристальную систему сбора данных, отвечающей требованиям портативных батарейных применений (миниатюрный 40-выводной корпус TQFN, 6x6 мм, питание 1,8...3,6 В, экономичные режимы работы, в т.ч. режим отключения с номинальным потреблением 0,5 мкА). К числу таких блоков относятся: два 12-битных ЦАП; раздельные ИОН АЦП и ЦАП; программируемый усилитель (Ку = 1,2,4,8); буфер FIFO (16 слов); 20-битный накопитель; 16-входовый дифференциальный мультиплексор на входе АЦП; твердотельные коммутаторы для конфигурации схемы; SPI/QSPI/MICROWIRE совместимый интерфейс для подключения к МК; генератор частоты 3,6864 МГц для синхронизации ИС; датчик температуры; емкостной преобразователь для питания аналогового тракта ИС; операционный усилитель и др. По сравнению с решением на основе МК со встроенным блоком АЦП, применение MAX1329 позволит избавиться от множества внешних компонентов, добиться большей гибкости конечного решения и полностью оправдать затраты на включение в проект отдельной ИС системы сбора данных. Микросхема рассчитана на работу в температурном диапазоне -40...85°C и является рекомендованной заменой для MAX1330 (последняя переведена в статус «не рекомендовано для новых разработок»). Пример использования MAX1329 иллюстрирует рис. 2.

Здесь показана упрощенная схема трехэлектродного потенциостата (находит применение в лабораториях электрохимических производств). ЦАП А используется для программируемого смещения рабочего электрода WE, а ЦАП В - для смещения опорного электрода RE. Оба смещения выполняются по отношению к счетному электроду CE и, таким образом, измерению подлежат два тока: I_A и I_B. С помощью резисторов R_A и R_B эти токи преобразуются в напряжения, которые в дальнейшем поступают на вход АЦП через внутренний мультиплексор (на схеме не показаны).

АЦП для сенсорных интерфейсов

Широкое распространение сенсорных отображающих панелей на основе четырехпроводных резистивных сенсорных экранов открыли новую перспективную область применения АЦП - контроллеры сенсорных интерфейсов. Компания Maxim плодотворно поработала в этом направлении и представила в 2009 году целое семейство контроллеров сенсорных экранов. MAX11810 и MAX11811 стали первыми контроллерами в линейке Maxim, которые интегрируют в одном кристалле возможности контроллера четырехпроводного сенсорного экрана, логики обеспечения тактильного эффекта (совместно с внешним звуковым излучателем или вибрационным мотором) и инфракрасного датчика приближения (совместно с внешним ИК датчиком). Основой этих микросхем является 12-битный АЦП последовательных приближений. Кроме того, микросхемы интегрируют токовый ЦАП общего назначения, вход общего назначения и последовательный интерфейс для связи с управляющим процессором. По сравнению с решениями, в которых функция тактильного эффекта реализовывалась управляющим процессором, применение новых контроллеров высвобождает процессорное время от задач генерации звуковых сигналов (поддерживается генерация свыше 50 тыс. образцовых сигналов) и исключает из схемы усилительные элементы, предназначенные для подключения к звуковому излучателю или вибродвигателю.

В отличие от многих существующих контроллеров MAX11810/11 выполняют дополнительную цифровую обработку. Она направлена на достоверное определение параметров прикосновения к экрану и снижение за счет этого частоты генерации прерываний процессора, инициированных ложным распознаванием прикосновений, а также потребляемой мощностью. Кроме того, в целях дальнейшего снижения частоты прерываний процессора предусмотрены апертурный режим (пространственная фильтрация) и буфер FIFO. MAX11810/11 отличаются между собой типом последовательного интерфейса и доступны в упрощенных исполнениях, совместимых по назначению регистров (сравнение см. в таблице 2).

Типичные области применения данных микросхем: сотовые телефоны, MP3/медиа-плееры, цифровые фоторамки, многофункциональные принтеры, торговые терминалы и другое промышленное оборудование.

АЦП общего назначения

Компания Maxim не обошла вниманием и группу АЦП общего назначения. Представленное ею семейство АЦП MAX116xx с последовательным интерфейсом I²C уникально с точки зрения широты выбора исполнений АЦП: разрешающая способность 8 бит (частота дискретизации 188 кГц), 10 бит или 12 бит (94,4 кГц); число входных каналов 4, 8 или 12; напряжение питания 2,7...3,6 В или 4,5...5,5 В и встроенный ИОН 2,048 В или 4,096 В (см. табл. 3).

Кроме того, все исполнения АЦП поддерживают возможность заданий одно-/двуполярной и несимметричной/дифференциальной конфигурации входов. Исполнения в одинаковых корпусах дают дополнительное преимущество совместимости по расположению и назначению выводов. Это означает, что в рамках одной и той же печатной платы простой заменой микросхемы без корректировки программного обеспечения можно добиться изменения разрешающей способности и количества каналов. Данные АЦП также демонстрируют выдающиеся характеристики электропотребления. При выполнении преобразований с частотой 188 кГц потребляемый ток составляет всего лишь 350 мкА, а при уменьшении частоты дискретизации до 10 кГц потребление снижается еще больше - до 10 мкА. Микросхемы автоматически переходят в режим отключения по окончании преобразования. Таким образом, потребляемый ток при очень малых частотах дискретизации будет стремиться к потреблению в режиме отключения (1 мкА). Микросхемы рассчитаны на работу в температурном диапазоне -40...85°С и идеальны для использования в портативном оборудовании с батарейным питанием для выполнения функций мониторинга системы.

Заключение

Новые АЦП Maxim разработаны с учетом всех современных тенденций совершенствования электронных компонентов: они выпускаются в миниатюрных корпусах, совместимы с низковольтными системами и отвечают условиям применения в оборудовании с батарейным питанием (малый потребляемый ток, поддержка экономичных режимов работы). Кроме того, компания Maxim позаботилась об интеграции в новую продукцию ряда возможностей, которые заменяют несколько элементов из известных альтернативных решений и, таким образом, делают экономически-обоснованным отказ от их использования.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: analog.vesti@compel.ru