Mixed Signal A/D-Wandler in Mikrocontroller-basierten Embedded-Systemen

Moderne Mixed-Signal-Mikrocontroller sind mit zahlreichen Funktionen wie Datenwandler ausgestattet, die sich einfach an verschiedene Embedded-Anwendungen anpassen lassen.

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Systementwickler, die Mikrocontroller (MCUs) verwenden, profitieren weiterhin vom Moore’schen Gesetz, da sich auf kleinerem Raum und zu geringeren Kosten immer mehr Funktionen unterbringen lassen. MCU-Anbieter analysieren heute ihre Marktchancen sehr genau, um die integrierten Peripheriefunktionen weiter zu verbessern oder deren Umfang zu erhöhen. Benutzerfreundlichkeit und die zunehmende Anbindung an das Internet der Dinge spielen ebenfalls eine wichtige Rolle.

Entwickler von Embedded-Systemen und die MCU-Hersteller sind an drei wesentlichen Datenerfassungsfunktionen interessiert: Erfassen, Berechnen und Kommunizieren. Ein Verständnis aller drei Funktionen ist daher hilfreich. Der folgende Beitrag geht jedoch vor allem auf die Datenerfassung innerhalb eines solchen Systems ein.

Datenerfassung: Fortschrittliche Mixed-Signal-MCUs müssen imstande sein, einen Teil der analogen Welt zu erfassen und ein zeitkontinuierliches Signal in ein diskretes Digitalsignal umwandeln. Der A/D-Wandler ist dabei die entscheidende Peripherie in einem Mikrocontroller, wobei dessen Funktionen meist darüber entscheiden, welche MCU sich für eine Anwendung eignet. Der Mikrocontroller kann Systeminformationen auch in digitaler Form erfassen – von einer äußeren Quelle über verschiedene serielle oder parallele digitale I/O-Schnittstellen.

Berechnung: Nach der Signalerfassung muss etwas mit den erfassten Daten geschehen. Manchmal ist die A/D-Wandlung ausreichend, häufiger jedoch müssen mit diesen Daten Berechnungen durchgeführt werden. Im MCU-Markt findet eine anhaltende digitale Weiterentwicklung statt. Entwicklern steht eine immer leistungsfähigere Signalverarbeitung und höhere Prozessorgeschwindigkeit zur Verfügung. Embedded-Entwickler haben so Zugriff auf eine große Auswahl von 8-, 16- und 32-Bit-Mixed-Signal-MCUs, die verschiedene Preis-Leistungsziele erfüllen. Außerdem stehen mehr On-Chip-Optionen bereit, um Systemaufgaben zu erfüllen. So lässt sich zum Beispiel ganz einfach Programmcode verwenden, um die erfassten Daten zu verarbeiten. Oder man nutzt die vielen integrierten Verbesserungen innerhalb der Mikrocontroller-Peripherie. Hard-Makro-Peripherie in MCUs wird immer autonomer, da sie mit funktionellen Zustandsmaschinen ausgestattet wird, um den Prozessor von allgemeinen Aufgaben wie z.B. Filterfunktionen zu entlasten.

Datenkommunikation: Schließlich ist noch eine Form der Datenkommunikation erforderlich, um Informationen innerhalb eines Steuerungsprozesses auszutauschen. Diese Funktion kann sehr einfach sein, wobei eine einzelne Port-Bit-Umschaltung anzeigt, dass „der Tank voll ist“, oder es wird kompliziert, wenn zustandsabhängige Operationen über verschiedene serielle, parallele oder Funk-Schnittstellen ausgelöst werden. Die Datenkommunikation kann sogar ein analoges Spannungs- oder Stromausgangssignal sein, indem die erfassten und verarbeiteten Daten über einen D/A-Wandler zurück in ein Analogsignal gewandelt werden.

Vielseitige MCU-basierte Datenerfassungssysteme

Das Rückgrat eines MCU-Datenerfassungssystems ist der A/D-Wandler. Die wohl bekannteste Art ist der Wandler mit sukzessiver Approximation (SAR-ADC). Viele Mikrocontroller nutzen den SAR-ADC, da er hinsichtlich Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit sehr vielseitig ist. SAR-ADCs mit einer Genauigkeit von 8 bis 16 Bit und einem Datendurchsatz von geforderten, sehr langsamen Wandlungen bis über 1 Mio. Wandlungen pro Sekunde sind für MCUs erhältlich. Der A/D-Wandler ist aber nur ein Teil eines kompletten Datenerfassungssystems. Zu den anderen Teilen, die zu seiner Vielseitigkeit beitragen, zählen die Signaleingangs- und Referenzspannungsschnittstelle, das Takt- und Abtastsystem für den A/D-Wandler sowie die Datenmanagement-Funktionen für die gewandelten ADC-Ausgangsdaten.

Die Analogeingangs-Schnittstelle wird unter den gemeinsamen I/O-Pad-Strukturen aufgeteilt, die für digitale oder analoge Anwendungen und manchmal auch für beide Domänen konfiguriert werden. Mikrocontroller wie der SiM3U1xx/SiM3C1xx und SiM3L1xx bieten einen großen Eingangs-Multiplexer, der bis zu 31 Eingänge unterstützt. Ein derartiger Eingangs-Multiplexer ermöglicht nicht nur das Überwachen einer großen Anzahl von Eingangsquellen, sondern hilft auch bei der Konfiguration des Embedded-Systems. Vielseitige Konfigurationsmöglichkeiten ergeben sich dann, wenn analoge und digitale Funktionen unter verschiedenen Bauteilanschlüssen entsprechend der Systemanforderungen partitioniert werden können. Als Teil des Eingangsmultiplexers ist der On-Chip Temperatursensor einer der gängigsten Hilfseingänge. Zu den anderen wichtigen Eingängen zählen interne Spannungen wie die Versorgungsspannungen oder Massesignale.

Sobald die Eingangskanäle des Systems konfiguriert sind, kann der Entwickler über den Programmcode jeden beliebigen Kanal wählen und A/D-Wandlungen anfragen. Programmcodes können auch ausgelagert werden, und der ADC-Kanal-Sequenzer (eine Funktion der Precision32 MCUs) durchläuft vorgegebene Kanaleingänge, bis ein entsprechendes Ereignis erkannt wird.

Ein weiterer wichtiger Aspekt eines Datenerfassungssystems ist die ADC-Referenzspannung (VREF). Sie bestimmt den Eingangsdynamikbereich oder den Endwert des Systems und kann das gesamte Rauschverhalten beeinflussen. Ein Multiplexer wählt VREF aus verschiedenen On-Board- und externen Referenzspannungseingängen. Zu den Spannungen, die zur Auswahl stehen, zählen Vielfache einer gepufferten Bandgap-Spannung, die im Mikrocontroller erzeugt werden; eine extern erzeugte, Präzisions-Spannungsreferenz und verschiedene externe Versorgungsspannungen, die kompatibel zur I/O-Pad-Struktur und den ADC-Limitierungen sind.

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