Ekspander wejść/wyjść dla sygnałów analogowych i cyfrowych

Czasami pojedynczy sygnał nie jest w stanie obsłużyć wszystkich wejść/wyjść wymaganych w projekcie. Do tego celu często stosuje się różne komponenty, zwykle obejmujące zestaw układów scalonych z indywidualnymi funkcjami logicznymi albo proste bufory lub redrivery. W przypadku sygnałów analogowych często potrzebne jest podobne podejście z użyciem buforów lub wzmacniaczy, choć może to być trudne, gdy analogowe wejścia/wyjścia wymagają różnych poziomów sygnału.

To właśnie obszar, w którym można zastosować programowalne mieszane ASIC-i sygnałowe, ponieważ umożliwiają one implementację buforowania analogowego i cyfrowego w jednym komponencie. Programowalne komórki logiczne mogą zostać użyte do obsługi części cyfrowej związanej z rozdzielaniem sygnału, podczas gdy specjalnie zaprojektowany bufor może obsługiwać analogowe rozdzielanie sygnału.

Logika cyfrowa do rozszerzania I/O

Cyfrowe rozszerzanie I/O zaczyna się od wymagań dotyczących zdolności wyjścia do sterowania obciążeniem. Pojedyncze wyjście logiczne może być w stanie połączyć się z wieloma wejściami z punktu widzenia obciążenia DC, ale nie gwarantuje to niezawodnego przełączania, gdy uwzględni się szybkość narastania zboczy, pojemność wejściową, długość ścieżki i jednoczesne przełączanie. Każde dodatkowe wejście zwiększa obciążenie pojemnościowe, a sterownik musi ładować lub rozładowywać to obciążenie wystarczająco szybko, aby spełnić wymagania urządzenia odbierającego dotyczące VIH, VIL oraz czasów setup i hold.

Najprostszą implementacją jest bufor cyfrowy, bramka nieodwracająca albo sterownik linii umieszczony między sygnałem źródłowym a wejściami logiki po stronie odbiorczej. Bufor izoluje urządzenie źródłowe od całkowitego obciążenia wejściowego i zapewnia zdefiniowaną siłę napędową wyjścia. W przypadkach większego fanoutu należy stosować wiele buforowanych gałęzi zamiast zmuszać jeden pin wyjściowy do sterowania dużą siecią pojemnościową. Dzięki temu każda gałąź ma krótsze połączenie, mniejsze efektywne obciążenie i czystsze przejście logiczne.

Programowalna logika zapewnia bardziej elastyczną wersję tej samej struktury. Sygnał może wejść do programowalnej komórki logicznej, przejść przez strukturę routingu lub logikę opartą na LUT, a następnie sterować wieloma skonfigurowanymi wyjściami. Każdemu wyjściu można przypisać własne właściwości elektryczne, jeśli urządzenie obsługuje takie opcje jak wyjście push-pull, wyjście open-drain, włączenie rezystora podciągającego lub ściągającego oraz sterowanie aktywacją wyjścia.

Najważniejsze kontrole projektowe są proste:

• Potwierdź, że całkowity prąd upływu wejść i obciążenie pojemnościowe mieszczą się w parametrach sterownika.
• Sprawdź czasy narastania i opadania względem wymaganego marginesu czasowego.
• Unikaj długich, nieobciążonych terminacją odgałęzień, gdy zbocza są szybkie.
• Stosuj oddzielne buforowane wyjścia, gdy obciążenia są rozmieszczone na całej płytce.

Proste rozszerzenie I/O interfejsu szeregowego

Jak rozdzielić sygnał analogowy

Analogowe rozszerzanie I/O zaczyna się od warunków obciążenia sygnału źródłowego. Wyjście czujnika, wyjście DAC, węzeł polaryzacji lub linia monitorowania analogowego mogą wydawać się łatwe do powielenia, ale każde dodatkowe miejsce docelowe dodaje pojemność wejściową, prąd polaryzacji, upływność i pasożytnicze elementy ścieżki. Źródło musi utrzymać wymaganą dokładność napięcia, pasmo przenoszenia, czas ustalania i margines szumowy po podłączeniu wszystkich obciążeń. Gdy te granice zostaną przekroczone, struktura fanoutu wymaga aktywnego układu, a nie prostego połączenia sieciowego.

Bufor o wzmocnieniu jednostkowym jest zwykle pierwszym stopniem, gdy wiele obwodów potrzebuje tego samego napięcia analogowego. Bufor zapewnia wysoką impedancję wejściową dla źródła i niską impedancję wyjściową dla obciążeń po stronie odbiorczej. W przypadku rozproszonych obciążeń oddzielne wyjścia buforujące są zwykle lepsze niż jeden wzmacniacz sterujący długą, rozgałęzioną strukturą ścieżek. Pozwala to uniknąć niekontrolowanego obciążenia pojemnościowego i ułatwia weryfikację każdej ścieżki wyjściowej pod kątem czasu ustalania, pasma przenoszenia i stabilności.

Gdy obwód po stronie odbiorczej potrzebuje jedynie decyzji progowej, komparator jest zwykle czystszym interfejsem. Sygnał analogowy pozostaje lokalny dla wejścia komparatora, a wyjście komparatora staje się sygnałem cyfrowym, który można rozszerzyć za pomocą programowalnej logiki. Jest to przydatne w detekcji power-good, sygnalizacji usterek, zdarzeniach wybudzania, detekcji limitów i analogowych warunkach alarmowych.

Ważne kontrole przy rozszerzaniu analogowym obejmują:

• Zweryfikuj impedancję źródła względem prądu polaryzacji wejścia i błędu upływności
• Sprawdź wydajność prądową wyjścia wzmacniacza względem całkowitego obciążenia pojemnościowego
• Potwierdź stabilność wzmacniacza przy oczekiwanym obciążeniu i pojemności ścieżek
• Dodaj histerezę komparatora, gdy szum w pobliżu progu może powodować wiele przejść
• Utrzymuj wrażliwe ścieżki analogowe lokalnie, gdy rozszerzone wyjścia mogą być cyfrowe

Najlepsza implementacja zależy od tego, czy system potrzebuje wiernej kopii analogowej, skalowanej wersji analogowej czy cyfrowego wyniku kwalifikowanego progiem.

Zaawansowane mieszane rozszerzanie I/O w GreenPAK

Zaleta procesora mieszanego sygnałowo wykracza poza proste rozdzielanie sygnałów wejściowych. W komórkach makro procesora mieszanego sygnałowo można implementować niestandardową logikę, dzięki czemu rozszerzone analogowe i cyfrowe I/O mogą być kondycjonowane, kwalifikowane, sekwencjonowane lub zatrzaskiwane przed dotarciem do reszty systemu. Funkcje te zazwyczaj wymagałyby logiki dyskretnej, złożonego programu w mikrokontrolerze oraz ADC/DAC-ów.

Dzięki dodatkowym GPIO, programowalnej logice i konfigurowalnemu analogowemu front-endowi w urządzeniu GreenPAK, te funkcje rozszerzania I/O można zaimplementować bezpośrednio bez dodawania dodatkowych układów scalonych ani zużywania większej liczby pinów mikrokontrolera. Pozwala to połączyć niestandardową logikę w stylu CPLD oraz w pełni konfigurowalne układy analogowe w tym samym programowalnym komponencie do realizacji funkcji fanoutu sygnałów.

Aby pomóc projektantom budować własne niestandardowe komponenty, Renesas udostępnia Go Configure Software Hub do konfigurowania programowalnych komórek logicznych, dostosowywania pinoutu komponentu i projektowania w pełni zintegrowanego front-endu analogowego do przetwarzania sygnałów analogowych.

Projekt ekspandera I/O GreenPAK w oprogramowaniu Go Configure.

Aby dowiedzieć się więcej, zapoznaj się z komponentami GreenPAK i przykładami referencyjnymi.

• Dowiedz się więcej o komponentach GreenPAK
• Zobacz rozwiązania ekspanderów I/O GreenPAK

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z pełnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD oferowanych przez Altium, aby wdrożyć swoje rozwiązania GreenPAK. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do opracowywania produktów elektronicznych, obejmującą najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!