Расширение ввода/вывода для цифровых, аналоговых и смешанных сигналов

Нередко один и тот же сигнал ввода/вывода необходимо подавать на несколько нагрузок — как в аналоговой, так и в цифровой области. Во многих системах микроконтроллер или процессор имеет ограниченное количество доступных выводов, тогда как по проекту требуется управлять сигналами или считывать их с гораздо большего числа конечных точек. Это создает базовую проблему маршрутизации и архитектуры, которую необходимо решать на уровне платы, причем выбор решения в значительной степени зависит от того, являются ли рассматриваемые сигналы цифровыми, аналоговыми или смешанными.

Методы расширения емкости I/O существенно различаются для этих областей. Для цифрового расширения хорошо подходят специализированные микросхемы-расширители, работающие по протоколу, тогда как для разветвления аналоговых сигналов требуется активная буферизация или мультиплексирование для сохранения целостности сигнала. Интерфейсы смешанных сигналов представляют наиболее жестко ограниченную задачу проектирования, поскольку требуют одновременно цифровой логики управления и аналоговой обработки сигнала в компактной реализации. Понимание компромиссов в каждой из этих областей помогает разработчикам выбрать правильную архитектуру, не усложняя решение сверх меры и не жертвуя производительностью там, где это действительно важно.

Расширение цифровых сигналов I/O

Основной способ расширения цифровых I/O — использование специализированной ASIC, поддерживающей протокол связи, применяемый управляющим контроллером. Такие микросхемы-расширители принимают команды по последовательной шине и предоставляют системе дополнительные универсальные линии ввода/вывода, не занимая большого количества выводов процессора. Наиболее распространенные протоколы, поддерживаемые цифровыми расширителями I/O, включают:

• I2C
• SPI
• SMBus
• Пользовательские интерфейсы на базе GPIO

При выборе цифрового расширителя I/O разработчикам следует оценить, требуется ли согласование уровней между напряжением шины хоста и доменом напряжений расширенных выходов. Многие современные расширители I/O уже содержат встроенную функцию преобразования уровней, что устраняет необходимость во внешних трансляторах. Однако если расширитель изначально не поддерживает целевые логические уровни, необходимо добавлять внешние преобразователи уровней, что увеличивает площадь платы и число компонентов. Выходной ток, тип выхода (push-pull или open-drain), а также возможность генерации прерываний — это дополнительные критерии выбора, влияющие на то, насколько органично расширитель интегрируется в общую архитектуру системы.

Разветвление аналоговых сигналов

Разветвление аналогового сигнала распределяет один исходный сигнал на несколько независимых нагрузок с помощью активной буферизации. Повторители напряжения на операционных усилителях с единичным коэффициентом усиления создают высокий входной импеданс для источника и одновременно обеспечивают низкоомные копии сигнала на каждом выходе, предотвращая эффект нагрузки и изолируя каналы downstream друг от друга. Для большего числа каналов специализированные аналоговые микросхемы mux/demux или матрицы кросс-переключателей обеспечивают структурированную маршрутизацию под цифровым управлением, хотя при этом вносят сопротивление в открытом состоянии, инжекцию заряда и ограничения по полосе пропускания, которые необходимо оценивать с учетом требований конкретного применения.

В приложениях, где при разветвлении требуется дополнительная обработка сигнала, на каждом выходном каскаде могут использоваться инструментальные усилители или программируемые усилители с регулируемым коэффициентом усиления для обеспечения усиления, фильтрации или согласования импеданса под конкретную нагрузку. Выбор между пассивным распределением, активной буферизацией и коммутируемой маршрутизацией зависит от требуемой полосы пропускания, изоляции каналов и от того, допустим ли одновременный вывод или только вывод с временным мультиплексированием. В таблице ниже приведены основные компромиссы для распространенных архитектур разветвления.

Некоторые дополнительные аспекты проектирования схем разветвления аналоговых сигналов включают:

• Выходной импеданс источника должен оставаться низким по сравнению с суммарным параллельным входным импедансом всех буферных каскадов, чтобы избежать ошибки усиления в узле распределения.
• Каждый выход буфера должен быть развязан по питанию от общих шин, чтобы предотвратить перекрестные помехи через связь по цепям питания.
• Если критичны фазовые или временные параметры, длины трасс от узла распределения до каждого буфера должны быть согласованы.

Компактное расширение I/O для смешанных сигналов

Программируемые процессоры смешанных сигналов объединяют настраиваемые аналоговые блоки (компараторы, усилители, DAC, опорные источники напряжения) с элементами цифровой логики (таблицы поиска, триггеры, счетчики, блоки задержки) в одной микросхеме. В результате получается фактически эквивалент CPLD для аналоговых сигналов: разработчики реализуют собственный аналоговый фронт-энд внутри самой микросхемы, настраивая его программно, а не собирая из дискретных операционных усилителей, компараторов и пассивных цепей, распределенных по всей плате.

Такая архитектура устраняет необходимость в дискретных аналоговых цепях, сокращает число компонентов и значительно уменьшает занимаемую площадь платы по сравнению с эквивалентными дискретными решениями. Она также снимает многие ограничения компоновки, связанные с высокоомными аналоговыми узлами, трассируемыми по PCB. Возможность программной конфигурации означает, что одно и то же физическое устройство можно перенастроить под различные требования аналогового интерфейса без переработки платы, а объединение цифровой логики управления и аналоговой обработки сигнала в одном корпусе упрощает разделение между аналоговой и цифровой областями.

GreenPAK как платформа смешанных сигналов для I/O

GreenPAK от Renesas — это семейство конфигурируемых микросхем смешанных сигналов с энергонезависимой памятью, которые объединяют аналоговые блоки (операционные усилители, компараторы, опорные источники напряжения, ADC) с цифровой логикой (LUT, триггеры, счетчики, элементы задержки) в одном компактном корпусе. Эти устройства программируются через графический инструмент на основе схем, а не через HDL, что делает их удобными для инженеров по аппаратному обеспечению, создающих пользовательскую интерфейсную логику без традиционных FPGA-процессов разработки.

Разработчики могут создать и смоделировать расширитель интерфейса смешанных сигналов со встроенным аналоговым фронт-эндом для компонента GreenPAK, используя программное обеспечение Go Configure от Renesas. Этот инструмент предоставляет среду проектирования drag-and-drop, в которой внутренние аналоговые и цифровые ресурсы соединяются визуально, моделируются для функциональной проверки, а затем программируются в целевое устройство через отладочный комплект.

Проект расширителя GreenPAK I/O в программном обеспечении Go Configure.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с компонентами GreenPAK и примерами эталонных решений.

• Узнайте больше о компонентах GreenPAK
• Посмотреть решения GreenPAK для расширения I/O

Если вам нужно создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования PCB и CAD-инструменты мирового уровня, предлагаемые Altium, для реализации ваших решений на базе GreenPAK. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных изделий, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования PCB и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!