Программируемые электронные компоненты. PSoC, усилители и цифровые потенциометры

Время чтения: 16 минут

На практике гораздо чаще приходится решить более конкретную задачу: программно изменить коэффициент усиления, настроить порог срабатывания, заменить механический потенциометр или объединить аналоговую и цифровую периферию в одной микросхеме. И для этого есть отдельная группа устройств.

PSoC (Programmable System-on-Chip) — это однокристальная система, объединяющая микроконтроллер, программируемые аналоговые и цифровые блоки, периферию, систему внутренней коммутации.

Если обычный микроконтроллер имеет фиксированный набор периферийных устройств — таймеры, ШИМ, АЦП, интерфейсы связи и т. п., — то PSoC позволяет разработчику самостоятельно сформировать значительную часть необходимой периферии.

Условно PSoC представляет собой комбинацию:

микроконтроллер + FPAA + CPLD/FPGA

Разумеется, это упрощённое сравнение: PSoC не является полноценной заменой FPGA или FPAA. Его главное преимущество в другом — все эти возможности объединены на одном кристалле и предназначены для построения законченных встраиваемых систем.

В 1980–1990-х годах микроконтроллеры получили широкое распространение, однако их периферия оставалась в основном фиксированной.

Допустим, микроконтроллер имел два таймера, один АЦП и несколько интерфейсов связи. Если разработчику требовалось что-то нестандартное, приходилось добавлять внешние микросхемы.

Использовались:

Это увеличивало количество компонентов на плате, её размеры, стоимость, сложность разработки.

Возникла очевидная идея: а что, если сделать микроконтроллер, внутри которого можно создавать собственную периферию?

Так появилась концепция PSoC.

PSoC 1

В 1990-х годах компания Cypress Semiconductor начала разработку единой архитектуры, и первое поколение появилось в 2002 году под названием PSoC 1.

Микросхемы получили ядро M8C, программируемые аналоговые-цифровые блоки, развитую систему маршрутизации сигналов.

Разработчик конфигурировал различные узлы:

Интересной была сама среда разработки — PSoC Designer. Вместо того чтобы вручную проектировать всю периферию на уровне регистров, разработчик выбирал необходимые функциональные блоки, настраивал их параметры и определял связи между ними.

После этого среда формировала необходимую конфигурацию и программный код.

Получалась необычная для начала 2000-х система: часть аппаратной схемы проектировалась практически так же, как программное обеспечение.

Развитие PSoC

Следующие поколения расширили возможности архитектуры.

PSoC 3 получил более производительное ядро и расширенную периферию.

PSoC 5 перешёл на архитектуру ARM Cortex-M3, что сделало его мощнее по сравнению с первым поколением. При этом сама идея оставалась прежней.

Это позволяло одному PSoC заменить сразу несколько отдельных микросхем.

Например, вместо отдельного микроконтроллера, нескольких таймеров, компаратора, АЦП, ЦАП и логики согласования можно было использовать одну программируемую систему.

PSoC 4 и эпоха IoT

В 2010-х годах появился PSoC 4, ориентированный в том числе на устройства с низким энергопотреблением и различные IoT-применения.

В его основе использовались ядра ARM Cortex-M0 или Cortex-M0+.

Одной из наиболее известных технологий стала CapSense — система ёмкостного сенсорного управления.

Она позволяла создавать сенсорные кнопки, панели и слайдеры без отдельного специализированного контроллера.

Вместо механической кнопки пользователь фактически получал программно настраиваемый сенсорный элемент, параметры которого обрабатывались непосредственно микроконтроллером и аналоговой периферией PSoC.

PSoC 6

Следующим крупным этапом стал PSoC 6, появившийся в конце 2010-х годов.

Он получил двухъядерную архитектуру с ARM Cortex-M4 и Cortex-M0+, средства аппаратной безопасности, а в некоторых вариантах — поддержку беспроводных интерфейсов.

Два ядра позволяют разделить задачи. Более производительный Cortex-M4 может выполнять основную программу, а Cortex-M0+ — обслуживать периферию и фоновые задачи.

В результате PSoC стал полноценной платформой для построения энергоэффективных устройств, где одновременно требуется обработка аналоговых сигналов, нестандартная периферия, вычислительная мощность и средства связи.

В 2020 году Cypress Semiconductor была приобретена компанией Infineon Technologies. После этого развитие семейства продолжилось уже под брендом Infineon.

Сегодня PSoC применяются в промышленной автоматике, потребительской электронике, IoT, сенсорных системах, а также в других устройствах, где требуется объединить программируемую периферию с микроконтроллером.

PSoC — довольно сложная система. Но иногда разработчику нужна гораздо более простая возможность: например, программно менять коэффициент усиления аналогового сигнала.

Для этого существуют программируемые усилители, наиболее распространённый вариант которых — PGA (Programmable Gain Amplifier).

Обычный операционный усилитель имеет параметры, которые в значительной степени определяются внешними резисторами и конденсаторами. Изменить коэффициент усиления можно, например, изменив сопротивление одного из резисторов.

PGA позволяет сделать это электронным способом.

В зависимости от конкретной микросхемы программно или электрически можно менять:

Таким образом, PGA является своего рода промежуточным звеном между обычным ОУ и полностью реконфигурируемой аналоговой системой.

Первые операционные усилители появились ещё в эпоху ламповой электроники. Позже они были переведены на транзисторную элементную базу, а затем стали интегральными микросхемами.

Появление массовых интегральных ОУ, одним из символов которого стал µA741, сделало операционные усилители стандартным строительным блоком аналоговой электроники.

Однако их принципиальная схема оставалась неизменной: характеристики конкретного включения определялись внешними компонентами.

В 1970-х годах появилась необходимость автоматически изменять коэффициент усиления. Так получили распространение:

В таких системах усиление можно было изменять управляющим напряжением, током или цифровым кодом.

Это ещё не были полноценные программируемые усилители, но именно они стали важным этапом на пути к ним.

Первые PGA в привычном понимании появились в 1980-х годах.

Обычно они имели несколько фиксированных коэффициентов усиления. Например:

×1 → ×2 → ×4 → ×8 → ×16 → ×32 → ×64

Выбор делали цифровым кодом.

Такие микросхемы оказались особенно полезными в системах сбора данных. Если сигнал от одного датчика был слабым, выставляли повышенное усиление. Если другой датчик выдавал завышенный уровень, усиление уменьшалось.

Типичная цепочка выглядела следующим образом:

датчик → PGA → АЦП → микроконтроллер

При этом микроконтроллер мог автоматически выбирать необходимый коэффициент усиления.

В 1990-х годах программируемые усилители начали интегрироваться в более сложные микросхемы — АЦП, датчики, микросхемы смешанных сигналов.

В 2000-х годах получило широкое распространение цифровое управление аналоговыми узлами.

В микросхемах появились:

Таким образом, микроконтроллер мог не просто выбрать коэффициент усиления, но и управлять всей процедурой калибровки аналогового тракта.

С развитием FPAA и PSoC возможности стали ещё шире. Аналоговый усилительный блок использовался не только как усилитель, но и как буфер, аттенюатор, интегратор, дифференциатор, фильтр или компаратор. Всё зависело от конфигурации конкретной системы.

Сегодня отдельные универсальные программируемые ОУ встречаются не так часто. Гораздо чаще подобная функциональность является частью более сложной микросхемы:

Если PGA позволяет программно управлять усилением, то цифровой потенциометр — сопротивлением.

Digital Potentiometer, или DigiPot — это микросхема, выполняющая функцию обычного переменного резистора, но без механического движка.

Положение электронного «ползунка» задаётся кодом.

В зависимости от конкретной микросхемы управление выполняется:

По сути, это электронная замена обычного потенциометра.

До их появления регулировка аналоговых параметров выполнялась переменными и подстроечными резисторами.

Они применялись повсеместно:

Механический потенциометр прост, дёшев, не требует никакой сложной электроники.

Но у него есть очевидные недостатки.

Контакты изнашиваются, сопротивление меняется от положения к положению, настройку приходится выполнять вручную, а дистанционное управление требует дополнительных механических устройств.

Существовали моторизованные потенциометры, в которых положение вала изменялось электродвигателем. Однако такие решения получались дорогими, громоздкими, механически сложными. Интегральная электроника предложила более простой вариант.

Внутри прибора находится резистивная цепочка, состоящая из множества последовательно соединённых резистивных элементов.

К нужной точке этой цепочки подключается электронный ключ.

Условно конструкцию представляют так:

R — R — R — R — R — R — R

а электронный ключ выбирает, к какому участку цепочки подключить вывод «ползунка».

Изменяя управляющий код, микросхема переключает ключи и тем самым изменяет сопротивление между выводами.

Никакого механического движка внутри нет.

В 1970–1980-х годах появились аналоговые ключи и резистивные матрицы, из которых создавали электронные аттенюаторы.

В конце 1980-х появились первые полноценные электронные потенциометры.

В 1990-х они стали коммерчески доступными. Среди компаний, развивавших это направление, были Xicor, Burr-Brown, Analog Devices.

Появились микросхемы с 32, 64 или 128 положениями движка, а сопротивление могло составлять, например, 1, 5, 10, 50 или 100 кОм.

Управление выполнялось цифровыми сигналами, в том числе через SPI.

Для устройств, где требовалось сохранить привычный способ регулировки, существовали варианты с непосредственным управлением от энкодера.

Цифровые потенциометры быстро нашли применение в усилителях, телевизорах, дисплеях, измерительной аппаратуре, промышленной электронике.

В 2000-х годах появились модели с большим количеством положений — вплоть до 1024 или более.

Появилась энергонезависимая память, позволявшая сохранять положение «ползунка» после выключения питания.

Расширился и набор интерфейсов управления. Например, получил распространение I²C.

Это расширило область применения. Теперь микроконтроллер мог не только менять сопротивление во время работы, но и восстанавливать требуемую настройку после включения устройства.

В 2010-х годах потенциометры всё чаще начали интегрироваться в более сложные микросхемы смешанных сигналов, AFE и PSoC.

Они стали использоваться в медицинской аппаратуре, промышленных контроллерах, измерительных системах, автоматизированных устройствах.

Современный DigiPot — уже далеко не просто электронная копия механического резистора.

В зависимости от модели он имеет:

При этом цифровые потенциометры не исчезли даже на фоне постоянного роста степени интеграции.

Причина проста: это удобный специализированный компонент.

Если требуется заменить механический регулятор на электронный, а полноценная PSoC или другая сложная микросхема для такой задачи избыточна, DigiPot — почти идеальное решение.

PSoC, PGA и цифровые потенциометры демонстрируют три разных уровня программируемой аналоговой электроники. При этом все три технологии решают одну фундаментальную задачу: переносят часть аппаратной настройки в программную область.

Раньше инженер выбирал резистор нужного номинала, паял его на плату и при необходимости заменял другим.

Теперь микроконтроллер передаёт несколько байтов по I²C или SPI — и аналоговый тракт меняет свои параметры.

Именно это превращение «железной» настройки в программную стало одним из важнейших направлений развития электроники.

Подобные системы невозможно полноценно разрабатывать без измерительного оборудования. При работе с программируемой аналоговой электроникой особенно важны осциллографы, мультиметры, генераторы сигналов, лабораторные источники питания и паяльное оборудование.

Подобное оборудование для разработки, сборки или диагностики электроники представлено в каталоге Суперайс. Дополнительные материалы по радиоэлектронике и измерительной технике можно найти в блоге Суперайс.