Rozszerzenie I/O dla sygnałów cyfrowych, analogowych i mieszanych

Często zdarza się, że pojedyncze wejście/wyjście (I/O) musi być odbierane przez wiele obciążeń, niezależnie od tego, czy dotyczy to domeny analogowej, czy cyfrowej. W wielu systemach mikrokontroler lub procesor ma ograniczoną liczbę dostępnych pinów, a jednocześnie projekt wymaga sterowania sygnałami lub ich odczytu na większej liczbie punktów końcowych. Powoduje to podstawowy problem związany z architekturą i prowadzeniem połączeń, który trzeba rozwiązać na poziomie płytki, a rozwiązanie w dużej mierze zależy od tego, czy dane sygnały są cyfrowe, analogowe, czy stanowią kombinację obu typów.

Metody rozszerzania pojemności I/O znacznie różnią się między tymi domenami. Rozszerzanie sygnałów cyfrowych jest dobrze obsługiwane przez dedykowane układy ekspanderów oparte na protokołach komunikacyjnych, natomiast rozdzielanie sygnałów analogowych wymaga aktywnego buforowania lub multipleksowania w celu zachowania integralności sygnału. Interfejsy mieszane stanowią najbardziej ograniczający problem projektowy, ponieważ wymagają zarówno cyfrowej logiki sterowania, jak i analogowego kondycjonowania sygnału w zwartej implementacji. Zrozumienie kompromisów w każdej z tych domen pomaga projektantom wybrać właściwą architekturę bez nadmiernego komplikowania rozwiązania lub pogarszania wydajności tam, gdzie ma to znaczenie.

Rozszerzanie cyfrowych sygnałów I/O

Podstawową metodą rozszerzania cyfrowych wejść/wyjść jest zastosowanie dedykowanego układu ASIC obsługującego protokół komunikacyjny używany przez kontroler nadrzędny. Takie układy ekspanderów odbierają polecenia przez magistralę szeregową i udostępniają systemowi dodatkowe wejścia/wyjścia ogólnego przeznaczenia bez zajmowania dużej liczby pinów procesora. Typowe protokoły obsługiwane przez ekspandery cyfrowych I/O obejmują:

• I2C
• SPI
• SMBus
• Niestandardowe interfejsy oparte na GPIO

Przy wyborze cyfrowego ekspandera I/O projektanci powinni ocenić, czy konieczne jest przesunięcie poziomów logicznych między napięciem magistrali hosta a domeną napięciową rozszerzonych wyjść. Wiele nowoczesnych ekspanderów I/O ma wbudowaną funkcję translacji poziomów, co eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych translatorów. Jeśli jednak ekspander nie obsługuje natywnie docelowych poziomów logicznych, trzeba dodać zewnętrzne układy przesuwające poziomy, co zwiększa powierzchnię płytki i liczbę komponentów. Siła sterowania, typ wyjścia (push-pull lub open-drain) oraz możliwość generowania przerwań to dodatkowe kryteria doboru, które wpływają na to, jak płynnie ekspander zintegruje się z szerszą architekturą systemu.

Rozdzielanie sygnałów analogowych

Rozdzielanie sygnałów analogowych polega na dystrybucji pojedynczego sygnału źródłowego do wielu niezależnych obciążeń przy użyciu aktywnego buforowania. Wtórniki napięciowe ze wzmocnieniem jednostkowym, oparte na wzmacniaczach operacyjnych, przedstawiają wysoką impedancję dla źródła, a jednocześnie zapewniają kopie sygnału o niskiej impedancji na każdym wyjściu, zapobiegając efektom obciążenia i izolując kanały po stronie odbiorczej od siebie nawzajem. W przypadku większej liczby kanałów dedykowane analogowe układy mux/demux lub macierze przełączników krzyżowych zapewniają uporządkowane trasowanie pod kontrolą cyfrową, choć wprowadzają rezystancję w stanie załączenia, wstrzykiwanie ładunku i ograniczenia pasma, które należy ocenić w odniesieniu do wymagań aplikacji.

W zastosowaniach wymagających kondycjonowania sygnału podczas jego rozdzielania, na każdym stopniu wyjściowym można umieścić wzmacniacze instrumentalne lub programowalne wzmacniacze o regulowanym wzmocnieniu, aby zapewnić wzmocnienie, filtrowanie lub dopasowanie impedancji dostosowane do każdego obciążenia. Wybór między dystrybucją pasywną, aktywnym buforowaniem a trasowaniem przełączanym zależy od wymaganego pasma, izolacji kanałów oraz od tego, czy akceptowalne są wyjścia jednoczesne, czy też wyjścia multipleksowane w czasie. Poniższa tabela podsumowuje główne kompromisy między typowymi architekturami rozdzielania.

Dodatkowe kwestie projektowe dotyczące obwodów rozdzielania sygnałów analogowych obejmują:

• Impedancja źródła musi pozostać niska względem równoległej impedancji wejściowej wszystkich stopni buforujących, aby uniknąć błędu wzmocnienia w węźle dystrybucyjnym.
• Każde wyjście bufora powinno być odsprzęgnięte od wspólnych szyn zasilania, aby zapobiec przesłuchom wynikającym ze sprzężenia przez zasilanie.
• Jeśli występuje wrażliwość fazowa lub czasowa, długości ścieżek od węzła dystrybucyjnego do każdego bufora powinny być dopasowane.

Kompaktowe rozszerzanie mieszanych sygnałów I/O

Programowalne procesory mixed-signal integrują konfigurowalne bloki analogowe (komparatory, wzmacniacze, DAC-i, źródła napięcia odniesienia) wraz z elementami logiki cyfrowej (tablice LUT, przerzutniki, liczniki, bloki opóźniające) w ramach jednego układu scalonego. Efektem jest w praktyce odpowiednik CPLD dla sygnałów analogowych: projektanci implementują niestandardowy tor analogowy bezpośrednio wewnątrz układu, konfigurowany programowo zamiast budowanego z dyskretnych wzmacniaczy operacyjnych, komparatorów i sieci elementów pasywnych rozmieszczonych na całej płytce.

Taka architektura eliminuje dyskretne obwody analogowe, zmniejszając liczbę komponentów i znacząco redukując powierzchnię płytki w porównaniu z równoważnymi rozwiązaniami dyskretnymi. Usuwa również wiele wrażliwości związanych z prowadzeniem po PCB analogowych węzłów o wysokiej impedancji. Programowalność oznacza, że to samo fizyczne urządzenie można rekonfigurować pod kątem różnych wymagań interfejsów analogowych bez wykonywania nowej wersji płytki, a połączenie cyfrowej logiki sterowania z analogowym przetwarzaniem sygnału w jednej obudowie upraszcza podział między domeną analogową i cyfrową.

GreenPAK jako platforma mixed-signal I/O

GreenPAK firmy Renesas to rodzina konfigurowalnych układów mixed-signal z nieulotną pamięcią, które integrują bloki analogowe (wzmacniacze operacyjne, komparatory, źródła napięcia odniesienia, przetworniki ADC) z logiką cyfrową (LUT, przerzutniki, liczniki, elementy opóźniające) w jednej obudowie o niewielkich rozmiarach. Układy te są programowane za pomocą graficznego narzędzia opartego na schematach, a nie HDL, dzięki czemu są dostępne dla inżynierów sprzętu tworzących niestandardową logikę interfejsów bez konieczności stosowania tradycyjnych przepływów FPGA.

Projektanci mogą zbudować i zasymulować ekspander interfejsu mixed-signal ze zintegrowanym analogowym torem wejściowym dla komponentu GreenPAK przy użyciu oprogramowania Go Configure firmy Renesas. Narzędzie zapewnia środowisko projektowe typu „przeciągnij i upuść”, w którym wewnętrzne zasoby analogowe i cyfrowe są łączone wizualnie, symulowane pod kątem weryfikacji funkcjonalnej, a następnie programowane do urządzenia docelowego za pośrednictwem zestawu deweloperskiego.

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 tworzysz niezawodną energoelektronikę, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z pełnego zestawu funkcji do projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD oferowanych przez Altium, aby wdrożyć swoje rozwiązania GreenPAK. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do rozwoju produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się dziś z ekspertem Altium!