利用混合信號MCU發(fā)揮最大設(shè)計(jì)潛能

在同時(shí)需要對模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)行處理的應(yīng)用中，傳統(tǒng)方法通常采用一個(gè)mcu和多個(gè)離散元件實(shí)現(xiàn)；使用混合信號mcu可將所有的系統(tǒng)功能都集成在一個(gè)系統(tǒng)單芯片上，較之傳統(tǒng)方案電路更小，功耗更低，可靠性更高。

傳統(tǒng)上，在同一顆芯片上提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adcs)和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(dacs)支持是混合信號微控制器(mcu)所應(yīng)達(dá)到的最低要求，然而設(shè)計(jì)人員對于“混合信號”組件的期望通常不單單于此。真正的混合信號微控制器是一種單芯片系統(tǒng)，它能同時(shí)處理模擬信號和數(shù)字信號的輸入與輸出，其效能則不比將模擬、數(shù)字分開處理的解決方案差。但真正功能完備、勝過傳統(tǒng)解決方案的混合信號微控制器并不多見。

集強(qiáng)大功能于一身

混合信號微控制器能在同一顆芯片上處理不同類型的信號，從而使功能分割變得更相對簡單。其固有的功能整合性不但可以簡化設(shè)計(jì)，同時(shí)也減少了電路板面積。

在設(shè)計(jì)過程中，一旦系統(tǒng)規(guī)格和功能實(shí)現(xiàn)的分割方式確定后，接下來就要決定如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求將系統(tǒng)最佳化，需要綜合考慮系統(tǒng)效能最大化、功耗最小化、實(shí)體空間限制和系統(tǒng)總成本等眾多因素。設(shè)計(jì)人員必須慎重選擇需要用到的每一個(gè)元器件，例如傳感器、制動器、晶體管/二極管/電容等離散模擬器件、電源供應(yīng)和放大器等模擬芯片以及其他數(shù)字組件，包括可編程邏輯芯片、固定功能控制器、內(nèi)存芯片、微處理器和微控制器等。

一個(gè)很重要的約束條件是：在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)支持多種不同信號的同時(shí)，最大程度地將電路板面積和系統(tǒng)復(fù)雜性減至最小。例如傳感器只能提供強(qiáng)度僅在毫伏范圍內(nèi)的很小的模擬信號；可編程處理器使用的數(shù)字信號通常則在1.8～5.5 v范圍內(nèi)；系統(tǒng)控制的制動器很可能需要電壓更高和電流更大的功率級，而其在本質(zhì)上又屬于模擬電路。多數(shù)電子系統(tǒng)都會使用類似于上述的多種不同信號，因此功能分割問題變得非常復(fù)雜。

以圖1所示的典型的嵌入式系統(tǒng)為例，由傳感器的輸出提供的模擬信號，必須先經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器、比較器和可編程增益放大器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能送給微控制器處理。微控制器的輸出通常為數(shù)字信號，這些數(shù)字信號需要再經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器或物理層芯片(phy)轉(zhuǎn)換回模擬信號，才能用來驅(qū)動模擬器件。除此之外，嵌入式系統(tǒng)的其他功能均為系統(tǒng)本身管理所需，包括溫度傳感器、電壓參考、振蕩器、電荷泵浦 (用來供給eeprom組件燒錄資料所需的高電壓) 以及穩(wěn)壓器等，這些功能通常需要的都是模擬信號。

上面提到的諸多功能，包括由離散組件提供的所有常用模擬功能在內(nèi)，都可以集成到一塊mcu中，這就是混合信號mcu的本質(zhì)特征。

體積更小 可靠性更高

圖2是兩種設(shè)計(jì)方案的比較。方案一使用了典型的微控制器和多個(gè)離散元件，包括可編程增益放大器、adc、dac、比較器、石英振蕩器、參考電壓、電阻和電容；方案二使用了混合信號微控制器，將方案一的所有功能都集成在了一個(gè)系統(tǒng)芯片上。從圖中可看出，方案二的電路更小巧。這一點(diǎn)對許多應(yīng)用非常重要，事實(shí)上，很多便攜式應(yīng)用首先考慮的因素就是要求電路所占空間小，方便攜帶，mp3就是個(gè)很好的例子。

高集成方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靠性高。嵌入式系統(tǒng)的可靠性問題主要來自于連接點(diǎn)，包括焊接點(diǎn)和連接線。連接點(diǎn)的數(shù)目越多，故障的可能性就越高?；旌闲盘杕cu則減少了元件數(shù)目和連接點(diǎn)，進(jìn)而大幅提升了系統(tǒng)的可靠性。

功耗更低

單芯片混合信號mcu的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功耗更低。對于市場上最低功耗的微控制器來說，如果將其應(yīng)用在具有功耗很大的獨(dú)立式adc或其他大功耗模擬芯片的系統(tǒng)中，那么其低功耗的優(yōu)勢將化為烏有。相比之下，使用混合信號mcu時(shí)，只有一顆芯片需要電源供電，功耗大大降低。

噪聲更小

就噪聲的產(chǎn)生以及受噪聲影響程度等系統(tǒng)噪聲性能而言，采用混合信號mcu的系統(tǒng)優(yōu)于使用多個(gè)模擬和數(shù)字芯片的系統(tǒng)。因?yàn)椴捎没旌闲盘杕cu不必將高速數(shù)字信號傳送到獨(dú)立式adc或dac，所以電磁幅射的強(qiáng)度會減少。另外，系統(tǒng)受噪聲影響的程度也變得更小，因?yàn)榭赡苁艿皆肼曈绊懙脑?shù)目變得更少。

系統(tǒng)成本更低

高集成度系統(tǒng)的總成本也相對較低。元件數(shù)目的減少，再加上單一的封裝、晶粒和測試成本，這都是混合信號mcu方案的重要優(yōu)勢。其他方面的成本也會減少，例如軟件和整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性都會降低，這將縮短產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，精簡研發(fā)成本，加速產(chǎn)品面市進(jìn)程。

混合信號mcu設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字和模擬芯片傳統(tǒng)上會使用不同類型的生產(chǎn)加工技術(shù)。對于微控制器和內(nèi)存芯片之類的數(shù)字組件來說，主要選用cmos技術(shù)。cmos常用于全數(shù)字芯片，模擬組件通常則使用不同的加工技術(shù)，例如bicmos和雙極加工。由于cmos是業(yè)界成本最低的加工技術(shù)，混合信號組件的目標(biāo)就是利用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的cmos加工技術(shù)把模擬和數(shù)字電路集成到一顆芯片上。這種ic設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)需要專門的知識和技巧，然而業(yè)界精通模擬設(shè)計(jì)的工程師卻遠(yuǎn)少于數(shù)字設(shè)計(jì)人員，混合信號組件也沒有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工具。

除此之外，許多微控制器面對高速數(shù)字總線時(shí)，內(nèi)部模擬電路的效能就會下降，因此若要達(dá)成取代系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)元件的目標(biāo)，真正的混合信號mcu至少要內(nèi)建12位的adc、dac和振蕩器。

混合信號mcu的研發(fā)制造是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)，包括很多棘手的技術(shù)問題，例如需要精通高度設(shè)計(jì)技巧的工程師，才能確保數(shù)字噪聲不會導(dǎo)致模擬外圍的工作效能下降?；旌闲盘杕cu的研發(fā)和生產(chǎn)都很困難，但它們也會帶來極大好處，通過將高精確度的高速模擬外圍以及數(shù)字控制電路集成在同一顆芯片上，混合信號mcu讓設(shè)計(jì)人員可以跳過系統(tǒng)層級的模擬－數(shù)字整合問題。

從圖3所示的混合信號mcu中可看到，芯片上的模擬電路并不如數(shù)字電路那么有“規(guī)則”；除了64k閃存方塊右側(cè)的電荷泵浦電路之外，ram和閃存數(shù)組都是規(guī)則性的結(jié)構(gòu)。此外，從圖中還能明顯看出：相對于中央處理器、連接器、定時(shí)器和uart等數(shù)字功能的閘海 (sea-of-gates) 結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)的兩個(gè)12位dac模塊、8位adc模塊以及12位adc模塊是屬于人工設(shè)計(jì)的架構(gòu)。該芯片還包含許多其他模擬功能，例如取代外部振蕩器和諧振電路的芯片內(nèi)建振蕩器、芯片內(nèi)建溫度傳感器和支持可編程設(shè)定滯后值的兩個(gè)比較器，它們可用于中斷處理或是喚醒功能 (wake-up)。

結(jié)語

混合信號mcu為設(shè)計(jì)人員帶來了成本更低、體積更小、速度更快、模擬功能更強(qiáng)大的解決方案，是工業(yè)和程序回授控制系統(tǒng)、移動電話基站、便攜式和靜態(tài)測試設(shè)備、智能型發(fā)射機(jī)和電子磅秤等應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。