Mixed-Signal-MCUs

Aktuelle Mikrocontroller mit hochauflösenden A/D-Wandlern

08.02.13 | Autor / Redakteur: Ralf Hickl * / Holger Heller

XMC4500-Mikrocontroller von Infineon: Cortex-M4-basiert mit FPU und DSP-Zusatz als CPU-Kern; DS-Demodulator inklusive
XMC4500-Mikrocontroller von Infineon: Cortex-M4-basiert mit FPU und DSP-Zusatz als CPU-Kern; DS-Demodulator inklusive (Infineon)

Die Qualität der analogen Peripherie auf Mikrocontrollern hat stetig zugenommen. Sie sorgt für eine höhere Integration und kompaktere Schaltungslösungen.

Messaufgaben bei Verbrauchszählern (Smart Meter), Messbrücken und die Auswertung unverstärkter Kleinsignale erfordern zudem eine hohe nominale Auflösung. Dies erfüllen Mikrocontroller mit Analog-Digital-Wandlern (ADCs), die nach dem Delta-Sigma-Verfahren arbeiten. Vielzweck-MCUs sind meist mit ADCs ausgestattet, die nach dem sukzessiven Approximationsverfahren (SAR) wandeln. Damit erzielen sie nominale Auflösungen zwischen 10 und 12 Bit. Für höhere Auflösungen werden Mikrocontroller mit ADCs angeboten, die auf dem Delta-Sigma-Verfahren basieren. Jüngste Beispiele sind 32-Bit MCUs von Renesas, STMicroelectronics und Infineon.

Der RX21A mit 32-Bit-CPU-Kern gehört zur Low-Power High-Performance-Reihe RX200 von Renesas. Ausgestattet mit bis zu sieben Delta-Sigma ADCs mit jeweils 24 Bit Auflösung erzielt er eine Wandlungsrate pro ADC von maximal 12 KSamples/s.

Als Referenzspannung steht dem ADC eine interne Bandabstandsreferenz mit einer geringen Temperaturdrift von max. 30 ppm/°C zur Verfügung. Die Eingänge der ADCs können intern mit den Ausgängen der zwei On-Chip D/A-Wandlern mit 10 Bit Auflösung verbunden werden. Das ist praktisch für Kalibrierzwecke oder zur Messung der Versorgungsspannung. Jedem ADC ist ein eigener PGA (Programmable Gain Amplifier) vorgeschaltet, deren Verstärkungsbereich zwischen 1 und 4 bzw. 1 und 64 liegt. Bei vier der sieben PGAs sind die Eingänge differenziell nach außen geführt. Die anderen drei invertierten Eingänge sind zusammengeschaltet und auf einen gemeinsamen Pin gelegt.

Renesas RX21A mit bis zu sieben A/D-Wandlern

Für das sichere Fernauslesen verfügt der RX21A über eine Verschlüsselungs- und Entschlüsselungseinheit (DEU), die nach dem AES-Verfahren arbeitet. Die Capture-Funktion der Echtzeit-Taktquelle dient zum Zeitstempeln bei Manipulationsversuchen (Tamper Detection). Als Schnittstellen stehen UART, IrDA und SPI zur Verfügung. Zwei Komparatoren und zwei Digital/Analogwandler ergänzen die Analogausstattung. Ein ADC mit 10 Bit Auflösung, der nach dem SAR-Verfahren wandelt, gehört ebenfalls zum Featureset. Mit diesen Eigenschaften eignet sich der RX21A besonders für 1- und 3-Phasen-Elektrizitätsmessgeräte sowie Laborgeräte und Waagen.

Den RX21A gibt es in den Gehäusevarianten 64-, 80- und 100-Pin-LQFP. Das integrierte Flash ist in Renesas’ eigener MONOS-Technologie ausgeführt. Sie ist führend auf dem Markt, denn sie ermöglicht, dass der RX21A über seinen gesamten Taktbereich bis 50 MHz Code ohne Waitstates ausführen kann. Die Speicherausstattung reicht von 256 bis 512 KByte Flash. Für den Ersatz eines EEPROMs dient ein 8 KByte großer Bereich an Datenflash mit mindestens 100.000 spezifizierten Lösch-/Schreibzyklen.

Der STM32F373 gehört zur populären 32-Bit-Mikrocontrollerfamilie mit dem CPU-Kern ARM Cortex-M4F mit Fließkommaeinheit (FPU). Die Bausteine bieten bis zu drei separate Delta-Sigma ADCs mit Auflösungen von 16 Bit. Je nach Betriebsart lassen sich Wandlungsraten von 16,6 bis 50 KSamples/s erreichen. Dazu kommen noch ein ADC mit 12 Bit Auflösung nach dem SAR-Wandlungsverfahren, bis zu drei Digital-Analog-Wandler, die ebenfalls mit 12 Bit auflösen und zwei Rail-to-Rail-Komparatoren. Der STM32F3 bietet eine reichhaltige Schnittstellenausstattung und lässt sich über USB oder CAN vernetzen.

STMicroelectronics STM32F373 mit Cortex-M4F-Core

Die USARTs verfügen über Steuersignale für Modems, unterstützen aber auch IrDA und die Übertragung nach ISO7816 für Smartcards. An den eingebauten Touchsense-Controller lassen sich bis zu 24 Berührflächen anschließen. Die Echtzeit-Taktquelle und einige RAM-Zellen liegen in einem eigenen Stromkreis mit herausgeführtem Pin zur Spannungsversorgung über eine Stützbatterie. Damit eignet sich der STM32F3 in Applikationen aus den Bereichen Mess- und elektrischer Antriebstechnik. Besonders das nur 3,8 mm x 4,3 mm kleine Gehäuse WLCSP66 passt gut in miniaturisierte Sensoren.

STMicroelectronics bietet den STM32F3 in Gehäusen zwischen 48 und 100 Pins an. Der Speicherbereich reicht von 64 bis 256 KByte Flash ROM. Das RAM ist mit Parity-Bits ausgerüstet womit Bitfehler automatisch erkannt werden. Im Gehäuse mit 100 Pins sind die Leitungen der Embedded Trace Macrocell nach außen geführt, die für erweiterte Debugmöglichkeiten sorgt.

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