И всё-таки они существуют! АЦП от Microchip

5 октября 2017

Компания Microchip выпускает огромное количество самых разнообразных микросхем: от цифровых микроконтроллеров и программируемой логики до мощных драйверов и различных датчиков. Большое значение для компании имеет сегмент аналоговых компонентов, к которому относятся: аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), источники опорного напряжения (ИОН), усилители, драйверы, датчики угарного газа, температуры, ультразвуковые сенсоры. Данная статья посвящена обзору АЦП от Microchip, чей козырь – не быстродействие, а малые стоимость и потребление.

Среди отечественных разработчиков компания Microchip в первую очередь известна своими 8/16/32-битными микроконтроллерами семейства PIC. Однако кроме контроллеров Microchip выпускает широкий спектр других микросхем, таких как интерфейсы (USB, Ethernet и так далее), драйверы двигателей, светодиодов, силовых транзисторов, интеллектуальные ключи, микросхемы питания, память и многое другое. Большое значение для компании имеет сегмент аналоговых микросхем.

Номенклатура аналоговых компонентов Microchip достаточно разнообразна: ЦАП, АЦП, ИОН, цифровые резисторы, преобразователи частоты-напряжения и напряжения-частоты, датчики тока и тому подобное. Говоря об АЦП и ЦАП, можно отметить, что, в отличие от крупных игроков рынка, Microchip делает ставку не на сверхбыстродействующих и высокоразрядных «монстров», а предлагает разработчикам скромных и надежных «рабочих лошадок». Главными достоинствами этих микросхем становятся малая стоимость, удобные корпусные исполнения и минимальное потребление.

Данная статья посвящена микросхемам АЦП и ИОН производства компании Microchip. Сейчас компания выпускает более четырех десятков АЦП (рисунок 1):

Рис. 1. АЦП производства Microchip

• АЦП последовательного приближения, сигма-дельта-АЦП, конвейерные, с двойным интегрированием и специализированные (например, АЦП для управления ЖК);
• с частотой измерений от 4 до 200 миллионов выборок в секунду;
• с разрядностью 10…22 бит;
• с различными коммуникационными интерфейсами (SPI, I²C, трехпроводным интерфейсом);
• с 1…8 входами;
• в различных корпусных исполнениях (SOIC, PDIP, MSOP и других).

Выполнение цифроаналоговых преобразований невозможно без источников опорного напряжения. Номенклатура Microchip включает ИОН, предназначенные для работы с широким спектром напряжений вплоть до 15 В и начальной точностью 0,1…1% (рисунок 2).

Рис. 2. Источники опорного напряжения от Microchip

Обзор АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR ADC) являются наиболее распространенным типом АЦП. Их популярность объясняется тем, что архитектура последовательного приближения позволяет добиваться достаточно высокой точности, сохраняя минимальную стоимость. По этой же причине данный вид АЦП фактически является стандартным периферийным блоком для большинства современных микроконтроллеров.

Компания Microchip выпускает почти полтора десятка АЦП последовательного приближения (таблица 1). C первого взгляда кажется, что представленные аналогово-цифровые преобразователи не могут похвастаться выдающимися метрологическими качествами. Их характеристики выглядят достаточно стандартно: разрядность до 13 бит, униполярные или дифференциальные входы, число каналов 1…8, напряжение питания до 5,5 В, частота преобразований 22…200 тысяч выборок в секунду, коммуникационные интерфейсы SPI или I²2C. Тем не менее, у данной группы преобразователей есть и свои особенности:

• минимальное потребление;
• удобные корпусные исполнения;
• простота использования за счет минимального набора внешних компонентов.

То есть у АЦП последовательного приближения, производимых компанией Microchip, есть все, что нужно, чтобы стать надежным и простым инструментом обработки сигналов. Рассмотрим наиболее интересных представителей данной группы.

MCP3021 – 10-битный АЦП с максимальным потреблением в активном режиме не более 250 мкА. При необходимости MCP3021 можно перевести в режим ожидания, в котором потребление не превышает 1 мкА. Безусловным достоинством этой модели АЦП является миниатюрный 5-выводной корпус SOT-23-5.

Благодаря использованию I²C у разработчиков имеется возможность одновременного подключения на одну шину до восьми MCP3021. Адрес каждого АЦП «зашит» заранее на этапе производства и маркируется одной цифрой в наименовании. Например, MCP3221A5T-I/OT имеет адрес 5, а в MCP3221A0T-I/OT запрограммирован адрес 0.

Буквы I и E в наименовании микросхемы в данном случае кодируют диапазон рабочих температур: I (Industrial) равно -40…85°C, E (Extended) составляет -40…125°C.

Если разрядности MCP3021 недостаточно, стоит рассмотреть возможность применения АЦП MCP3221, разрядность которого составляет 12 бит. При этом все характеристики остаются такими же, как и у рассмотренной выше младшей модели.

MCP330x – линейка АЦП с дифференциальными входами и SPI-интерфейсом. Разрядность у всех моделей линейки одинакова и составляет 13 бит: 12 бит + 1 бит, который кодирует знак результата.

Между собой АЦП MCP330x отличаются корпусным исполнением и количеством дифференциальных каналов: MCP3301 – одноканальный АЦП, MCP3302 – 2-канальный АЦП, MCP3304 – 4-канальный АЦП.

Потребление MCP330x оказывается весьма умеренным и не превышает 450 мкА даже в режиме преобразования.

Таблица 1. АЦП последовательного приближения компании Microchip

Если точности, обеспечиваемой АЦП последовательного приближения, недостаточно — стоит обратить внимание на сигма-дельта-АЦП.

Обзор сигма-дельта-АЦП производства Microchip

Архитектура сигма-дельта-АЦП позволяет достигать высокой точности измерений, правда, при этом приходится пожертвовать скоростью преобразований. По этой причине данный вид АЦП применяют для контроля за медленно меняющимися сигналами.

Самые совершенные сигма-дельта-АЦП от лидеров отрасли имеют разрядность более 32 бит. Однако компания Microchip ориентируется в первую очередь не на достижение высокой разрядности, а на получение минимального потребления. Сейчас номенклатура Microchip включает более десятка сигма-дельта-АЦП с током потребления от 120 мкА (таблица 2).

MCP355x – наиболее совершенная линейка производства Microchip. Она превосходит остальные модели по большинству показателей:

• максимальная разрядность – 22 бита;
• максимальная скорость измерений – до 60 выборок в секунду;
• минимальное потребление – от 140 мкА;
• минимальная интегральная нелинейность – 2 LSB;
• минимальное начальное смещение – 3 мкВ.

MCP355x выпускаются в удобных 8-выводных корпусах (MSOP, SOIC) и отличаются максимально простой схемой включения.

Таблица 2. Сигма-дельта-АЦП компании Microchip

Как было сказано выше, главным недостатком сигма-дельта-АЦП является невысокая частота измерений. Для получения максимального быстродействия можно рассмотреть преобразователи с параллельной или последовательно-параллельной архитектурой, например, конвейерные АЦП.

Обзор конвейерных АЦП Microchip

Конвейерные АЦП имеют последовательно-параллельную структуру, благодаря чему удается повысить скорость преобразований по сравнению с обычными АЦП последовательного приближения.

В настоящий момент компания Microchip выпускает десять моделей конвейерных АЦП (таблица 3):

• с частотой преобразований до 200 миллионов выборок в секунду;
• одноканальные (семейства MCP372x0 и MCP37Dx0) и восьмиканальные с мультиплексированными каналами (семейства MCP372x1 и MCP37Dx1);
• со встроенным цифровым КИХ-фильтром для децимации;
• со встроенным блоком цифрового понижения частоты (digital down-converter, DDC) для моделей MCP37Dxx;
• с корпусными исполнениями TFBGA-121 и VTLA-124.

Таблица 3. Конвейерные АЦП компании Microchip

Обзор АЦП двойного интегрирования

При питании измерительных приборов от бытовой сети 50/60 Гц одним из наиболее негативных факторов, влияющих на точность измерений большинства АЦП, становятся соответствующие низкочастотные шумы. Избавиться от них обычными аналоговыми методами достаточно сложно. По этой причине разработчики АЦП предлагают бороться с ними на уровне архитектуры.

АЦП с двойным интегрированием позволяют устранить влияние низкочастотных шумов и при этом сохранить высокое разрешение. Компания Microchip предлагает шесть АЦП подобного типа (таблица 4).

Особенно стоит отметить 17-битное семейство TC500/TC510/TC514. Кроме высокой разрядности они отличаются удобным корпусным исполнением PDIP или SOIC.

Таблица 4. АЦП двойного интегрирования компании Microchip

Достоинствами большинства АЦП производства компании Microchip являются простая схема включения и минимальный набор дополнительных внешних компонентов. Так, например, для многих преобразователей последовательного приближения не требуется источника опорного напряжения (ИОН), вместо этого используется напряжение питания. Такое решение оправдано в двух случаях: когда не требуется высокой точности и когда потребление АЦП настолько мало, что в качестве источника питания можно применять непосредственно ИОН.

Таким образом, ИОН являются важной частью любой измерительной системы с АЦП.

Обзор источников опорного напряжения от Microchip

От ИОН в первую очередь требуется обеспечение точного выходного напряжения и минимального уровня шумов. Все это есть у источников опорного напряжения производства Microchip. Кроме того, они максимально просты в использовании.

Сейчас компания выпускает источники опорного напряжения с различными характеристиками:

• с подстраиваемым или фиксированным выходным напряжением 1,024; 1,250; 1,800; 2,048; 2,500; 3,000; 3,300, 4,096 В;
• с начальной точностью 0,1/0,5/1%;
• с выходным током до 15 мА;
• с минимальным собственным потреблением;
• с миниатюрными корпусными исполнениями.

Таблица 5. Источники опорного напряжения компании Microchip

Заключение

Компания Microchip не участвует в «гонке вооружений» в сегменте АЦП и ЦАП. В номенклатуре компании вы не найдете сверхбыстродействующих или высокоразрядных преобразователей. Вместо этого пользователям предлагаются простые, недорогие и малопотребляющие решения, которые наверняка станут отличным выбором для большинства приложений.

Сейчас компания выпускает четыре основных типа этих компонентов: АЦП последовательного приближения, сигма-дельта-АЦП, конвейерные и АЦП с двойным интегрированием. Номенклатура Microchip включает также специализированные преобразователи, например, АЦП для управления ЖК.

Для работы с ними разработчики могут воспользоваться простыми и малопотребляющими ИОН производства Microchip, обладающими начальной точностью выходного напряжения от 0,1%.

Литература

1. http://www.microchip.com.