М. Еременко

Новые аналоговые и интерфейсные микросхемы фирмы Microchip (продолжение)

В прошлых номерах журнала мы уже неоднократно рассказывали о новых аналоговых и интерфейсных микросхемах фирмы Microchip. В этом номере мы остановимся на двух необычных и очень интересных новинках - операционном усилителе с программируемым коэффициентом усиления и контроллере-расширителе портов ввода/вывода.

MCP6S21/2/6/8 - ОУ с программируемым коэффициентом усиления (PGA)

Продолжая традицию выпуска аналоговых компонентов с функциями цифровых схем, компания Microchip разработала новую серию операционных усилителей с программируемым коэффициентом усиления (Programming Gain Amplifiers - PGA). Читатель наверняка помнит, что практически во всех семействах ОУ фирмы Microchip есть модели со входом CS, подавая на который напряжение высокого уровня, можно "выключить" ОУ, при этом его выход переходит в высокоомное состояние. При создании нового семейства MCP6S21/2/6/8 пошли ещё дальше - теперь ОУ можно не только "выключить", но и ступенчато изменять коэффициент усиления от +1 до +32 В/В (8 вариантов), переключая номиналы резисторов в цепи обратной связи, встроенной в ИС.

Из блок-схемы MCP6S28 (рис. 1) видно, что новое семейство ОУ реально состоит из нескольких элементов: входного мультиплексора (на 1, 2, 6, 8 каналов для MCP6S21, MCP6S22, MCP6S26, MCP6S28, соответственно), собственно самого ОУ, переключаемой цепи обратной связи и логической схемы, управляемой внешним микроконтроллером по шине SPI.

Рисунок 1. Блок-схема ОУ с переключаемым коэффициентом усиления MCP6S28

Новые микросхемы PGA имеют широкую полосу пропускания (от 2 до 12 МГц), малое напряжение смещения (макс. ±275 мкВ), rail-to-rail вход и выход. Выбираемые по шине SPI коэффициенты усиления (цепи обратной связи) имеют погрешность не более ±1%, типовой ток потребления составляет 1,0 мА в активном режиме.

Сравнительные характеристики микросхем представлены в таблице. ИС PGA отличаются между собой числом входных каналов. Кроме того, у ИС MCP6S22 цепь обратной связи не имеет отдельного вывода, а подключена внутри к источнику питания Vdd. Все микросхемы работают в индустриальном диапазоне температур -40…+85ºС.

Для чего может быть полезен такой необычный элемент? Самое интересное применение - это усиление входного сигнала и подача его на АЦП. Таким образом, можно сразу увеличить число входных каналов (использовать PGA как коммутатор аналоговых сигналов), а также (изменяя коэффициент усиления) более точно измерить слабые сигналы. Это позволит во многих задачах отказаться от использования более дорогого 12- и даже 14-бит АЦП, воспользовавшись стандартным входящим в большинство PICmicro 10-бит. А возможность выключения пригодится при создании батарейных приборов.

Расширитель портов ввода/вывода с управлением по I2C интерфейсу MCP23016

Ни для кого не секрет, что производители микроконтроллеров общего назначения при формировании линейки своей продукции придерживаются принципа "чем больше выводов, тем больше цена". При этом младшие модели микроконтроллеров имеют не только минимальную цену, но и минимальный объём памяти, а также минимум периферийных модулей. С увеличением числа выводов не только увеличивается объём памяти, растёт количество аналого-цифровой периферии, но и цена. При этом фирмой-изготовителем предварительно проводится анализ предполагаемых задач, для решения которых разрабатывается микроконтроллер, и исходя из полученных данных определяется соотношение его параметров.

Тем не менее, очень часто приходится решать задачи, не вписывающиеся в эту концепцию. Например, для построения систем сбора информации, датчиков, счётчиков порой не нужно большого объёма памяти и периферии, но необходимо большое число портов ввода/вывода. Или к уже разработанному устройству необходимо подключить дополнительную периферию, а свободных выводов не осталось. В этом случае разработчик вынужден брать более мощную модель микроконтроллера с большим числом портов ввода/вывода. Во многих задачах это бывает неприемлемо, так как существенно увеличивается и цена контроллера.

В некоторых задачах такую проблему можно решить подключением к простому и недорогому PICmicro с малым числом выводов (например, PIC12F675 - 8pin, PIC16С505, PIC16F676 — 14pin) внешнего регистра сдвига (2..3 линии управления). Поскольку цена на "логику" предельно низкая, получается простое, а главное, недорогое решение.

А как же быть, если необходимо большее число портов ввода/вывода, при этом среди них должны быть и входы, и выходы?

Для этого специально разработана микросхема расширителя портов ввода/вывода MCP23016 (рис. 2). Как видно по рисунку, микросхема имеет 16 двунаправленных портов ввода/вывода. Направление для каждой линии задаётся индивидуально. В случае, если порт работает как выход, обеспечивается втекающий/вытекающий ток до 25 мА. Но самое интересное то, что управляется этот расширитель всего по 2 проводам, по шине I²C. Таким образом, при создании простых приложений можно использовать самый простой микроконтроллер PIC12C509A совместно с расширителем MCP23016, и при этом управлять до 16+4=20 линиями ввода/вывода!

Рисунок 2. Расширитель I/O MCP23016

В особо критичных к потреблению устройствах (счётчики энергии, удалённые датчики) с питанием от батарей, микроконтроллер большую часть времени проводит в sleep-режиме, при этом он должен быстро переходить в активный режим по изменению состояния портов ввода/вывода. Для этого в расширителе предусмотрен специальный выход с открытым стоком INT, который может быть дополнительно соединён со входом сброса или внешнего прерывания микроконтроллера, при этом в специальных регистрах сохраняется информация о причинах возникновения прерывания. Разумеется, пользователь может задать те порты, от которых будут разрешены или запрещены прерывания.

Шина I²C в данной микросхеме работает на высоких скоростях (до 400 кГц). По ней производится обмен данными между 16 портами ввода/вывода расширителя (GP0.0…GP0.7, GP1.0…GP1.7) и микроконтроллером, а также управление режимами работы. Для нормальной работы расширителю необходим источник тактовых импульсов. Тактовый генератор (Clock Gen - рис. 3) уже встроен внутрь MCP23016 (1 МГц) и требует лишь подключения внешней RC-цепочки 3,9 кОм, 33 пФ ко входу CLCIN. При этом можно разрешить вывод тактового сигнала на вывод TP. Для дополнительной экономии энергии можно, изменяя специальный бит IARES в управляющем слове, переключать скорость опроса входных портов (32 мс/200 мкс - макс., при этом ток потребления расширителем 0,4/25 мкА, соответственно), что экономит энергию батареи.

Рисунок 3. Блок-схема расширителя I/O MCP23016

Как видно из блок-схемы, у каждого расширителя есть три входных адресных сигнала, с помощью которых можно присвоить адрес микросхеме. Это позволяет подключить к одной шине I²C до восьми MCP23016, обслуживающих 128 портов ввода/вывода. Управление расширителем осуществляется при помощи 8 управляющих регистров, плюс ещё 4 служат непосредственно для ввода/вывода информации с портов. Чтение информации таким образом можно осуществлять как непосредственно с портов ввода/вывода, так и с внутреннего регистра-защёлки, что исключает проблему read-modify-write, подобную существующей в младших моделях PICmicro. Есть возможность включить/выключить автоматическую инверсию для каждой входной линии.

Расширители I/O выпускаются в 28-pin корпусах PDIP, SOIC, SSOP и микрогабаритном QFN (6x6 мм), работают в широком диапазоне напряжений (2…5,5 В) и температур (-40…+85ºС).

Аналого-интерфейсные новинки фирмы Microchip замечательно подходят для широких областей применений, таких как системы обеспечения питанием малогабаритных переносных приборов, мобильных телефонов, коммуникационного оборудования, прецизионных источников питания, систем сбора и обработки информации, малогабаритных датчиков, диагностического и тестового оборудования, - всюду, где требуются малые габаритные размеры, надёжность работы и низкое потребление. А совместное использование FLASH-микроконтроллеров PIC и аналоговых компонентов Microchip позволит совместить в одном приборе достоинства цифровых и аналоговых схем и получить качественный многофункциональный прибор, востребованный рынком современной электронной техники.

Таблица 1. Основные характеристики ИС PGA

Продолжение следует.