Úvodní díl s názvem Senzory, snímače a čidla v praxi – 1. díl byl ve znamení
- popisu signálového řetězce a
- přehledu toho, co vše se dá běžně snímat a jakým způsobem.
Dnes přinášíme základní přehled sedmi významných polovodičových struktur v signálovém řetězci, režírovaném z Microchipu. Jedná se o
- operační zesilovače (Operational Amplifiers, Op Amps),
- komparátory (Comparators),
- zesilovače s nastavitelným ziskem (Programmable Gain Amplifier, PGA),
- A/D převodníky (Analog-to-Digital Converters, ADC),
- napěťové reference (Voltage References),
- digitální potenciometry (Digital Potentiometers) a
- D/A převodníky (Digital-to-Analog Converters, DAC).
Přehled dostupných obvodů
Operační zesilovače (Operational Amplifiers, Op Amps)
Microchip Technology má ve své nabídce ucelené řady rodin operačních zesilovačů s propracovanými CMOSovými technologiemi. Jak již bývá dobrým zvykem, můžeme vybírat z
- jednoduchého (Single),
- dvojitého (Dual) nebo také
- čtyřnásobného (Quad)
provedení různých miniaturních pouzder.
Rodiny operačních zesilovačů nabízí čipy s klidovými proudy Iq na jeden zesilovač o velikosti 0.6 μA až 6 mA, příp. také GBWP (Gain Bandwidth Product) mezi 14 kHz a 60 MHz. Operační prvky s nejnižším napájecím napětím (Vdd) fungují mezi 1.4 V a 6.0 V, opačný protipól pak vyžaduje něco mezi 6.5 V až 16.0 V. Zmíněné zesilovací struktury spadají do několika kategorií:
- Univerzální operační zesilovače (General Purpose),
- zesilovače s malým offsetem (Low Offset),
- struktury s téměř nulovým driftem (Auto-zeroed),
- vysokorychlostní obvody (High Speed),
- nízkošumové zesilovače (Low Noise) a
- čipy s vlastní kalibrací vstupního napěťového offsetu Vos (mCal).
Komparátory (Comparators)
Komparátory MCP6541 a MCP6161 nabízí mimořádně malou spotřebu, typicky jen 600 nA, a svižnější odezvu se 40 ns prodlevou. Nízkopříkonové obvody MCP6541 jsou vhodné pro bateriově živené aplikace, přičemž jejich koncové stupně vhodně pokryjí požadavky výstražné akustické signalizace (Buzzerů). Rodina obvodů MCP6161 s překlápěcím kmitočtem, převyšujícím 4 MHz, zase vyhoví vysokorychlostním systémům, ve kterých potřebujeme převést výstupní signál senzorů se sinusovým průběhem na obdélník. Typické 40 ns zpoždění nemusí být problémem ani pro rozhraní mikroprocesorů. Obě skupiny komparátorů lze u Microchipu pořídit v jednoduchém, duálním i čtyřnásobném provedení. Nechybí ani možnosti v podobě výstupů typu push-pull a open-drain (MCP6546 a MCP6566).
Zesilovače s nastavitelným ziskem (Programmable Gain Amplifier, PGA)
Rodiny PGA obvodů MCP6S21/2/6/8 a MCP6S91/2/3 skýtají možnost číslicového řízení zesilovače za přispění sériového rozhraní (sběrnice SPI). K připojení žádaného signálu pak slouží vstupní analogový multiplexer s jedním, dvěma, šesti nebo také osmi vstupy. Neinvertující zesilovač lze nastavit s ohledem na jedno z osmi dostupných zesílení: +1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 a 32 V/V. Pro přenosná zařízení zase uvítáme výraznou výkonovou úsporu, definovanou softwarovým shutdownem, aktivovaným pomocí SPI. Vše je navíc integrováno do jediného pouzdra, vykazujícího výrazně větší šířku pásma při zachování minimální proudové spotřeby. Významně se tak zjednoduší návrhy s větším počtem senzorů.
Mezi poněkud „více analogovější“ SGA zesilovače (Selectable Gain Amplifiers) řadíme rodinu obvodů MCP6G01. Velikostí řídicího napětí na příslušných vstupech definujeme zisk +1 V/V, +10 V/V nebo +50 V/V. Pin Chip Select obvodu MCP6G03 zase startuje shutdown režim pro ještě větší energetické úspory.
A/D převodníky (Analog-to-Digital Converters, ADC)
U Microchipu lze vybírat z mnoha velmi přesných A/D převodníků typu
- Delta-Sigma,
- SAR (s postupnou aproximací) nebo
- Dual Slope (s dvojí integrací).
Tak třeba A/D převodníky MCP3550/1/3 typu Delta – Sigma nabídnou v malém, 8vývodovém pouzdru MSOP s typickou spotřebou pouhých 120 μA až 22bitové rozlišení. Pod označením MCP3421 se zase skrývá jednokanálový převodník Delta – Sigma se 6vývodovým zapouzdřením SOT-23. Na čip se ještě vešla napěťová reference i PGAčko. Jako uživatelé můžeme volit rozlišení až do 18bitů. Dvoukanálová a čtyřkanálová verze obvodu MCP3421 pak nese označení MCP3422/3 a MCP3424. SAR převodníky MCP300X (10 bitů), MCP320X (12 bitů) a MCP330X (13 bitů) pak ve svých malých pouzdrech spojují solidní parametry s malou spotřebou pro aplikace s vestavěným řízením. Další, až 17bitovou alternativou, jsou A/D převodníky TC5XX s dvojí integrací (Dual Slope).
Různé příklady zapojení s ADC předkládá Příručka “Analog-to-Digital Converter Design Guide” (dokument Microchipu č. 21841). Microchip má rovněž ve své nabídce spoustu precizních obvodů pro energetická měření, založených na ADC jádrech Delta – Sigma. Podrobnosti přináší publikace “Complete Utility Metering Solution Guide” (dokument Microchipu č. 24930).
Napěťové reference (Voltage References)
Pod označením MCP15XX nalezneme v nabídce Microchipu rodinu přesných, nízkopříkonových referencí s malými napěťovými úbytky. Integrovaný obvod MCP1525 generuje výstupní napětí 2.5 V zatímco struktura MCP1541 nabízí celých 4.096V. Na výběr máme pouzdra SOT23-3 a TO-92.
Digitální potenciometry (Digital Potentiometers)
Mezi digitálními potenciometry společnosti Microchip máme z čeho vybírat. Základem je totiž podpora 6 až 8bitových aplikací (myšleno v kontextu s daným prvkem), následovaná volatilními i non – volatilními přístupy s digitálním rozhraním od jednoduchého nahoru / dolů (Up / Down) až ke standardním rozhraním SPI a I2C. Součástky jsou chráněny malými pouzdry typu
- 6vývodového SC70 a 8vývodového DFN (jednoduché potenciometry),
- 14vývodového TSSOP a 16vývodového QFN (dvojité potenciometry), příp. také
- 20vývodového TSSOP a QFN (čtyřnásobné potenciometry).
Energeticky nezávislé (non – volatilní) struktury si zakládají na chráněné technologii Wiperlock™, přičemž jejich volatilní protějšky zase budou pracovat již od 1.8 V. Velikost odporu pokrývá rozpětí od 2.1 kΩ až do 100 kΩ. V současné době je na výběr více než 50 prvků. Inspiraci lze rovněž načerpat v prakticky zaměřené příručce “Digital Potentiometer Design Guide” (dokument Microchipu č. 22017).
D/A převodníky (Digital-to-Analog Converters, DAC)
Microchip nabízí řadu D/A převodníků, pokrývající výkonné 12bitové obvody i levnější 8bitové čipy. Integrovaný obvod MCP4725 je tvořen jednokanálovým, 12bitovým DAC s energeticky nezávislou pamětí EEPROM, ve které může uživatel ukládat vstupní kód včetně bitů pro konfigurační registr. Tato vlastnost umožňuje uchování vstupních dat pro D/A převodník i po vypnutí napájecího napětí a také bezprostřední obnovení definovaného výstupu ihned po opětovném nahození zdroje, což oceníme zejména v případě, budeme – li D/A převodník provozovat na pozici podpůrné součástky pro další systémové struktury. Obvod MCP4725 se vyrábí v malém pouzdru SOT23-6. MCP4728 je zase 12bitový převodník se čtyřmi analogovými výstupy a pamětí EEPROM pro každý DAC kanál. Uživatelsky lze na pozici reference pro každý použitý kanál zvolit buď vnitřní napěťovou referenci nebo Vdd. Oba prvky komunikují prostřednictvím sériového rozhraní I2C.
Rodina 12bitových obvodů MCP4821/2 spojuje skvělé parametry s interním zdrojem referenčního napětí a SPI rozhraním. Integrované prvky s názvem MCP4921/2 jsou podobné a umožňují použití vnější reference. Popisované D/A převodníky nabízí vysokou přesnost a malý šum, jsou proto ideální do průmyslového prostředí, kde se obvykle vyžaduje kalibrace nebo kompenzace užitečného signálu (teplota, tlak nebo vlhkost). Jako poslední zmíníme rodinu 8 a 10bitových D/A převodníků s názvem TC1320/1, která používá 2drátové sériové rozhraní SMBus/I2C.
Podrobnější informace k vybraným integrovaným obvodům celého řetězce získáte v rodném jazyce také na http://hw.cz/Novinky/Microchip.
Pokračování příště.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Domovská stránka Microchip: http://www.microchip.com/
