| ---傳統(tǒng)上,在同一顆芯片上提供ADC和DAC支持是混合信號微控制器所應達到的最低要求,然而設計人員對于所謂“混合信號”組件的期望卻更高。真正的混合信號微控制器是一種系統(tǒng)單芯片,它能同時處理模擬和數(shù)字的輸入與輸出,效率則不輸給分立解決方案。雖然只有少數(shù)產(chǎn)品算是功能完整的混合信號微控制器,但它們卻有諸多優(yōu)勢勝過傳統(tǒng)解決方案。 減少產(chǎn)品用料
 ---混合信號微控制器使功能分割變得更簡單,因為它們能在同一顆芯片上處理不同類型的信號�；旌闲盘栁⒖刂破鞴逃械墓δ芗尚钥梢院喕O計,同時減少所需的電路板面積。
---在設計過程中,一旦系統(tǒng)規(guī)格和功能的分割方式確定后,就必須決定如何根據(jù)設計約束條件將系統(tǒng)最佳化,這些約束條件包括效率最大化、功耗、實體空間限制和系統(tǒng)總成本等。設計人員必須在眾多零件之間做出選擇,例如傳感器、制動器、晶體管／二極管／電容等分立模擬零件、電源供應和放大器等模擬芯片及其他數(shù)字組件,例如可編程邏輯芯片、固定功能控制器、內(nèi)存芯片、微處理器和微控制器。
---一個典型的約束條件是支持系統(tǒng)所需的多種不同信號,同時將電路板面積和系統(tǒng)復雜性減至最少,例如傳感器只能提供很小的模擬信號,其強度僅在毫伏范圍內(nèi),可編程處理器使用的數(shù)字信號通常則在1.8～5.5V范圍,系統(tǒng)控制的制動器很可能需要電壓更高和電流更大的功率級,它在本質(zhì)上是屬于模擬電路。多數(shù)電子系統(tǒng)都會使用多種不同的信號,因此功能分割就變成非常復雜的問題。
---以圖1所示的典型嵌入式系統(tǒng)為例,傳感器會提供模擬信號輸出,此信號必須先由ADC、比較器和可編程增益放大器轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,再送給微控制器處理。微控制器的輸出通常是數(shù)字信號,它們要由DAC或?qū)嶓w層芯片轉(zhuǎn)換回模擬形式,才能用來驅(qū)動模擬零件。嵌入式系統(tǒng)的其他功能都是系統(tǒng)本身管理所需,例如溫度傳感器、電壓參考、振蕩器、電荷泵（用來供應EEPROM組件燒錄資料所需的更高電壓）及穩(wěn)壓器。
---包括多數(shù)由分立組件提供的所有常用模擬功能在內(nèi),前述的許多功能都可以集成到一顆微控制器,這正是混合信號微控制器的精髓。
 ---圖2是兩種設計的比較,一種使用了典型的微控制器和多顆分立零件,其中包括可編程增益放大器、模擬數(shù)字放大器、DAC、比較器、石英振蕩器、參考電壓、電阻和電容,另一種則是混合信號微控制器,它是集成了所有這些功能的系統(tǒng)單芯片。從圖中可看出混合信號微控制器讓電路體積變得更小,這對于許多應用非常重要。事實上,許多便攜式應用通常都將它視為最優(yōu)先考慮,MP3隨身聽就是個例子。
---集成度更高的解決方案還有另一個優(yōu)點,那就是可靠性。嵌入式系統(tǒng)的可靠性問題主要來自于連接點,包括焊接點和連接線。連接點的數(shù)目越多,故障的可能性就越高。混合信號微控制器可以減少零件數(shù)目和連接點,進而大幅提升系統(tǒng)的可靠性。 功耗更低
---更少功耗是單芯片混合信號微控制器提供的另一項優(yōu)點。對于市場上最低功耗的微控制器來說,如果應用系統(tǒng)中有些功耗很大的獨立式ADC或其他模擬芯片,那么這些最低功耗微控制器的優(yōu)勢就會化為烏有。相比之下,使用混合信號微控制器時,只有一顆芯片需要電源供應,所以它們的功耗會少于使用多顆零件的系統(tǒng)。 噪聲更小
---就噪聲的產(chǎn)生及受噪聲影響程度等系統(tǒng)噪聲效率而言,采用混合信號微控制器的系統(tǒng)都優(yōu)于使用多顆模擬和數(shù)字芯片的系統(tǒng),因為它們不必將高速數(shù)字信號傳送到獨立式ADC或DAC,所以電磁幅射的強度會減少。另外,系統(tǒng)受噪聲影響的程度也變得更小,因為可能受到噪聲影響的零件數(shù)目變得更少。 系統(tǒng)成本更低
 ---高集成度系統(tǒng)能降低系統(tǒng)的總成本。零件數(shù)目的減少,再加上單一的封裝、晶粒和測試成本,這都是集成式混合信號微控制器解決方案的重要優(yōu)勢。其他方面的成本也會減少,例如軟件和整體設計的復雜性都會降低,這能縮短產(chǎn)品的研發(fā)時間,精簡研發(fā)成本,同時讓新產(chǎn)品更快上市。 挑戰(zhàn)：設計復雜性
---數(shù)字和模擬芯片傳統(tǒng)上會使用不同類型的工藝技術(shù),對于微控制器和內(nèi)存芯片之類的數(shù)字組件來說,CMOS工藝是其最主要的工藝技術(shù)。CMOS常用于全數(shù)字芯片,模擬組件通常則使用不同的工藝技術(shù),例如BiCMOS和雙極工藝。由于CMOS是業(yè)界成本最低的工藝技術(shù),混合信號組件的目標就是利用業(yè)界標準的CMOS工藝技術(shù)把模擬和數(shù)字電路集成至一顆芯片。這種IC設計挑戰(zhàn)需要專門的知識和技巧,然而業(yè)界精通模擬設計的工程師人數(shù)卻遠少于數(shù)字設計人員,混合信號組件也沒有標準的設計工具。
---除此之外,許多微控制器面對高速數(shù)字總線時,內(nèi)部模擬電路的效率就會下降,因此若要達成取代系統(tǒng)內(nèi)多顆零件的目標,真正的混合信號微控制器至少就要內(nèi)建12位的ADC、DAC和振蕩器。
---混合信號微控制器的研發(fā)制造是重大挑戰(zhàn),許多困難的技術(shù)問題都會出現(xiàn),例如我們需要擁有高度設計技巧的工程師,才能確保數(shù)字噪聲不會導致模擬外圍的工作效率下降�；旌闲盘栁⒖刂破鞯难邪l(fā)和生產(chǎn)都很困難,但它們也會帶來極大好處,通過將高精度的高速模擬外圍及數(shù)字控制電路集成在同一顆芯片,混合信號微控制器讓設計人員跳過系統(tǒng)層級的模擬-數(shù)字集成問題。
---仔細觀察圖3所示的混合信號微控制器就會發(fā)現(xiàn),芯片上的模擬電路并不如數(shù)字電路那么有“規(guī)則”;除了64KB閃存方塊右側(cè)的電荷泵電路之外,RAM和閃存數(shù)組都是規(guī)則性的結(jié)構(gòu)。除此之外,相對于中央處理器、接口、定時器和UART等數(shù)字功能的海量門數(shù)（sea-of-gates）結(jié)構(gòu),從圖中還能明顯看出芯片內(nèi)的兩個12位DAC方塊、8位ADC方塊及12位ADC方塊等人工設計的架構(gòu)。這顆芯片還包含許多其他的模擬功能,例如取代外部振蕩器和諧振電路的芯片內(nèi)建振蕩器、芯片內(nèi)建溫度傳感器和支持可編程設定滯后值的兩個比較器,它們能用于中斷處理或喚醒功能。
---有了符合組件資料表所列規(guī)格的混合信號微控制器,設計工程師就有許多新的系統(tǒng)設計架構(gòu)可供選擇。混合信號微控制器為設計人員帶來成本更低的替代方案,使他們擁有體積更小、速度更快且模擬功能更強大的微控制器,因此是工業(yè)控制系統(tǒng)、移動電話基站、便攜式和靜態(tài)測試設備、智能發(fā)射機和電子磅秤等應用的理想選擇。 |
