ООО ЭФО
Поиск по складу
Программа поставок 2016
Сегодня
www.powel.ru
источники питания
www.korpusa.ru
конструктивы и корпуса РЭА
www.wless.ru
беспроводные технологии
www.mymcu.ru
микроконтроллеры
altera-plis.ru
микросхемы Altera
www.infiber.ru
волоконно-оптические
компоненты в
промышленности
www.efo-power.ru
силовая электроника
www.efo-electro.ru
электротехническая
продукция
www.efometry.ru
контрольно-измерительные приборы
www.golledge.ru
кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
www.sound-power.ru
профессиональные усилители класса D
Поиск по сайту
Подписка на новости

Система менеджмента
качества сертифицирована на соответствие требованиям:
ISO 9001, ГОСТ Р ИСО 9001 и СРПП ВТ - подтверждено сертификатами соответствия в системах сертификации Русского Регистра, ГОСТ Р, международной сети IQNet, "Оборонсертифика" и "Военный Регистр".

ООО "ЭФО" в 2011г. получило Лицензию Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору на изготовление оборудования для ядерных установок.


Rambler s Top100



ChipFind - поисковая система по электронным компонентам
EEN
webmaster
Санкт-Петербург: (812) 327-86-54  zav@efo.ru Москва: (495) 933-07-43  moscow@efo.ru Екатеринбург: (343) 278-71-36  ural@efo.ru Пермь: (342) 220-19-44  perm@efo.ru
Казань: (843) 518-79-20  kazan@efo.ru Ростов-на-Дону: (863) 220-36-79  rostov@efo.ru Н. Новгород: (831) 434-17-84  nnov@efo.ru Новосибирск: (383) 286-84-96  nsib@efo.ru
о нас склад библиотека статьи
 

Обзор микроконтроллеров фирмы SiLabs c аналого-цифровыми преобразователями

Елена Ламберт
Журнал "Электронные компоненты" №4, 2006г

В данной статье представлен обзор высокопроизводительных восьмиразрядных микроконтроллеров SiLabs, главной отличительной особенностью которых является наличие встроенных скоростных и высокоточных АЦП и ЦАП, а также дана краткая информация о новых микроконтроллерах.

Микроконтроллеры с интегрированным высокоточным АЦП являются удобным решением для систем сбора и обработки данных. Уступая чисто аналоговой обработке только в быстродействии, такая схема отличается большой функциональной гибкостью и точностью.

Характерной чертой 8-разрядных микроконтроллеров SiLabs является интеграция блоков обработки цифровых и аналоговых сигналов. Из аналоговой периферии это АЦП, ЦАП, датчики температуры, компараторы, усилители, осцилляторы, блоки опорного напряжения - элементы, необходимые для любой системы сбора и обработки данных. Преимуществом такого однокристального решения, помимо уменьшения площади, занимаемой компонентами на печатной плате, являются улучшение показателей по энергопотреблению, снижение цены законченной системы, упрощение процесса разработки. При этом специалисты SiLabs решили множество проблем, возникающих при интеграции аналоговых и цифровых блоков. Например, им удалось обеспечить совместную работу высокопроизводительного ядра микроконтроллера и 16-разрядного АЦП со скоростью преобразования 1 Msps, что позволяет не останавливать цифровую часть устройства при проведении высокоточных измерений.

Сравним некоторые параметры популярных микроконтроллеров с интегрированным 24- разрядным сигма-дельта АЦП (см. таблицу 1). Для полноты картины в таблицу также включены сигма-дельта АЦП, выпускаемые как отдельные микросхемы.

Таблица 1. Сравнение сигма-дельта АЦП микроконтроллера F350 с конкурентными решениями

  МК с АЦП АЦП
Производитель SiLabs Analog Devices Texas Instruments Texas Instruments Linear Technology Analog Devices Analog Devices Cirrus Logic Cirrus Logic
Наименование C8051F350 ADuC847 MSC1210 ADS1242 LTC2445 AD7730 AD7714 CS5522 CS5532
Частота выборки 1 ksps 1,3 ksps 1 ksps 15 sps 8 ksps 1,2 ksps 1 ksps 600 sps 3,8 ksps
Эффективная разрешающая способность, бит 17 из 24 16 из 24 18,5 из 24 16 из 24 21 из 24 17 из 24 12 из 24 15 из 24 20 из 24
Усилитель с программируемым усилением 1:128 1:128 1:128 1:128 - 1:128 1:128 1:100 1:64
Каналов АЦП 8 10 8 8 8 2 5 4 4
Процессор 8051 8052 8051 - - - - - -
Максимальная производительность МК, MIPS 50 12 8 - - - - - -
Энергопотребление, мВт 20 100 60 0,6 55 125 7 12 80
Размер корпуса, мм2 25 64 144 43,5 35 36 36 62 62
Розничная цена*, долл. США 6,4 10,9 16,3 7,2 9,6 15,6 15,9 12,6 14,7

* цены получены из открытых источников информации и требуют уточнения

Из таблицы видны следующие преимущества микроконтроллера SiLabs:

  • хорошие характеристики встроенного АЦП - 17 разрядов эффективной разрешающей способности;
  • большая производительность процессорного ядра C8051F350 по сравнению с аналогами от Analog Devices (ADuC847) и Texas Instruments (MSC1210);
  • меньшее энергопотребление, маленький размер корпуса;
  • низкая цена.
Если сравнивать встроенный сигма-дельта АЦП микроконтроллера C8051F350 с микросхемами отдельных сигма-дельта АЦП, то при аналогичных характеристиках последние оказываются дороже в два и более раз (и это при отсутствии цифровой обработки на кристалле!). Кристалл C8051F350 управляет работой АЦП довольно просто - посредством регистров специальных функций, все настройки осуществляются программно. Менее дорогостоящие сигма-дельта АЦП других производителей "не дотягивают" по характеристикам, имеют меньшую эффективную разрешающую способность и требуют внешнего микроконтроллера для цифровой обработки данных.

Сравним интегрированный 16-разрядный АЦП в микроконтроллере SiLabs C8051F064 и 16-разрядные АЦП других производителей (см. табл. 2). Отметим, что такой интеграции микроконтроллера и 16-разрядного АЦП последовательного приближения с частотой выборки до 1 Msps на одном кристалле другие производители не предлагают.

Таблица 2 Сравнение АЦП микроконтроллера C8051F064

  МК с АЦП АЦП
Производитель SiLabs Texas Instruments Texas Instruments Analog Devices
Наименование C8051F064 ADS8322 ADS8405 AD7667
Разрядность АЦП, бит 16 16 16 16
Частота выборки 1 Msps 500 ksps 1,25 Msps 1 Msps
Количество каналов АЦП 2 1 1 1
Интегральная нелинейность, LSB +0,75 +6 +2 +1
Энергопотребление, мВт 20 85 155 115
Розничная цена*, долл. США 12,4 12,7 25,17 37,8

* цены получены из открытых источников информации и требуют уточнения

Видно, что микроконтроллер SiLabs С8051F064 при указанных характеристиках АЦП выгодно отличается по производительности, интегральной нелинейности АЦП, а также по стоимости. Если же Ваша задача не требует "выдающихся" параметров АЦП, то можно выбрать другие микроконтроллеры SiLabs c АЦП с меньшими разрядностью и максимальной частотой выборки.

Рассмотрим общие черты, присущие микроконтроллерам SiLabs.

    Прецизионные аналоговые блоки (до 32 каналов АЦП с разрядностью до 24 бит и до 2 каналов ЦАП с разрядностью до 12 бит)
  • Самые высокие показатели производительности среди 8-разрядных микроконтроллеров (до 100 MIPS)
  • Малое энергопотребление (0,3-0,6 мА/MIPS)
  • Малые габариты (до 3х3 мм)
  • Гибкий и мощный блок цифрового ввода/вывода (до 64 линий)
Система команд микроконтроллеров SiLabs полностью совместима с системой команд С51. В микроконтроллерах SiLabs используется конвейерное ядро, позволяющее выполнять более 70% команд за 1-2 такта, в отличие от стандартного ядра, в котором команда выполняется за 12. Пиковая производительность в некоторых семействах достигает 100MIPS - это наилучший показатель для 8-разрядных микроконтроллеров.

МК содержат внутрисхемно-программируемую Flash-память программ объемом до 128К и до 8448 байт ОЗУ.

Также микроконтроллеры содержат до 5 таймеров/счетчиков, сторожевой таймер и программируемый монитор питания, в котором могут задаваться 3 варианта нижних и верхних пороговых напряжений.

Программируемый массив счетчиков (PCA), включающий отдельный 16-битный таймер/счетчик и от трёх до пяти 16-битных модулей захвата/сравнения с возможностью конфигурирования PCA как 8- и 16-битный ШИМ, расширяет функциональные возможности МК по управлению различными устройствами.

Некоторые микроконтроллеры имеют интерфейс внешней памяти, который может работать в мультиплексированном и немультиплексированном режимах. Это позволяет увеличить объем ОЗУ, в то время как расширение памяти программ не предусмотрено. Шина адреса интерфейса внешней памяти - 16 бит, шина данных - 8 бит.

Наличие контроллера прямого доступа к памяти (DMA) в микроконтроллерах с высокоразрядным быстродействующим АЦП (серия С8051F064:067) позволяет осуществлять быструю передачу результатов преобразования АЦП во внешнюю либо внутреннюю память микроконтроллера, не задействуя ресурсов микроконтроллера.

Интегрированный источник опорного напряжения (ИОН) имеет значение 2,43 В (в некоторых семействах 2,5 В) и температурную нестабильность 15 ppm/ C. Максимальный ток нагрузки ИОН составляет 200 мкА. При использовании внешнего источника внутренний ИОН может быть программно отключен.

Встроенный тактовый генератор может перепрограммироваться "на лету", что позволяет оперативно, во время выполнения программы, менять тактовую частоту и, соответственно, энергопотребление.

Во всех микроконтроллерах предусмотрен отладочный интерфейс JTAG (в микроконтроллерах с небольшим количеством выводов - двухпроводный интерфейс C2). Наличие такого интерфейса позволяет осуществлять отладку программы в микроконтроллере без использования дорогостоящего эмулятора, необходим только адаптер с подключением к компьютеру через последовательный порт (наименование адаптера SiLabs EC2), либо USB (DEBUGADPTR1-USB). Отладка осуществляется в режиме реального времени.

Микроконтроллеры SiLabs содержат широкий набор последовательных коммуникационных интерфейсов: двухпроводной двунаправленный интерфейс SMBus (совместимый с I2C), последовательный периферийный интерфейс (SPI), до двух последовательных асинхронных интерфейсов (UART), а в специализированных линейках - контроллеры интерфейсов USB или CAN.

Уникальной особенностью микроконтроллеров SiLabs является наличие цифрового коммутатора (CROSSBAR), позволяющего подключать цифровые и аналоговые узлы к различным выводам микроконтроллера, в том числе в процессе работы (см. рис. 1). Для упрощения конфигурирования и инициализации других блоков микроконтроллера поставляется программа CONFIG для генерации стартового кода на языках ассемблер или С. Конфигурация производится с использованием графического интерфейса



Рис. 1 Пример работы цифрового коммутатора

Микроконтроллеры SiLabs работают в промышленном диапазоне температур, -40:85°С, диапазон питающих напряжений - от 2,7 до 3,6 В (за исключением новой линейки микроконтроллеров F41x, которая имеет расширенный диапазон напряжений питания от 2,0 до 5,5 В).

Микросхемы выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа: TQFP c различным количеством выводов и миниатюрных корпусах MLP (например, MLP с одиннадцатью выводами имеет размеры всего 3х3 мм). В корпусах DIP выпускаются только микроконтроллеры F300 и F330.

Для облегчения выбора нужного МК компания SiLabs условно разделяет свои микроконтроллеры на 5 семейств. Самое большое из них - семейство с высокоточными АЦП, в которое входят контроллеры с АЦП последовательного приближения с разрешающей способностью до 16 бит или сигма-дельта АЦП с разрешающей способностью до 24 бит. Кроме того, имеются семейство микроконтроллеров общего назначения (с аналоговой частью с меньшим разрешением); семейство миниатюрных микроконтроллеров и два семейства микроконтроллеров со встроенными контроллерами интерфейсов USB и CAN. Состав этих семейств приведен в табл. 3, а типичная внутренняя структура микроконтроллера - на рис. 2

Таблица 3. Технические характеристики микроконтроллеров C8051Fxxx
Наименование Пиковая производитель- Флэш-ПЗУ, Кбайт ОЗУ, байт Линии ввода/вывода Точность встроенного генератора АЦП Разрядность ЦАП, бит Корпус
ность, MIPS Разрядность, бит каналов Скорость, sps
С точным АЦП (общего назначения)
C8051F000, 001, 002 20 32 256 32, 16, 8 +20% 12 4, 8 100K 12 + 12 TQ64, TQ48, LQ32
C8051F005, 006, 007 25 32 2304 32, 16, 8 +20% 12 4, 8 100K 12 + 12 TQ64, TQ48, LQ32
C8051F010, 011, 012 20 32 256 32, 16, 8 +20% 12 4, 8 100K 12 + 12 TQ64, TQ48, LQ32
C8051F015, 016, 017 25 32 2304 32, 16, 8 +20% 10 4, 8 100K 12 + 12 TQ64, TQ48, LQ32
C8051F018, 019 25 16 1280 16, 32 +20% 10 8 100K - TQ64, TQ48
C8051F020, 021, 022, 023 25 64 4352 32, 64 +20% 8 + 10 или 12 8 500К + 100К 12 + 12 TQ100, TQ64
С точным АЦП (с высокой производительностью ядра)
C8051F120, 121, 122, 123 100 128 8448 64, 32 +2% 8 + 10 или 12 8 500К + 100К 12 + 12 TQ100, TQ64
C8051F124, 125, 126, 127 50 128 8448 64, 32 +2% 8 + 10 или 12 8 500К + 100К 12 + 12 TQ100, TQ64
C8051F064, 065, 066, 067 25 32, 64 4352 24, 59 +2% 16 + 16 2 1М + 1М - TQ100, TQ64
С точным АЦП (с сигма-дельта АЦП)
C8051F350, 351, 352, 353 50 8 768 17 +2% 24 или 16
(сигма-дельта)
8 8 + 8 LQ32, MLP28
В миниатюрном корпусе
C8051F300, 302 25 8 256 8 +2%, +20% 8 8 500K - MLP11
C8051F301 25 8 256 8 +2%, - - - - MLP11
C8051F303, 304, 305 25 8, 4, 2 256 8 +20% - - - - MLP11
C8051F310, 311, 312, 313, 316 25 16, 8 1280 29, 25, 21 +2% 10 21, 17, 13 200K - LQ32, MLP28, QFN24
C8051F314, 315, 317 25 8 1280 29, 25, 21 +2% - - - - LQ32, MLP28, QFN24
C8051F330, 330D 25 8 768 17 +2% 10 16 200K 10 MLP20, DIP
C8051F332, 334 25 4,2 768 17 +2% 10 16 200K - MLP20
C8051F331, 333, 335 25 8, 4, 2 768 17 +2% - - - - MLP20
C8051F410, 411, 412, 413 NEW 50 32, 16 2304, 1280 24, 20 +2% 12 24, 20 200K 12+12 LQFP32, MLP28
Общего назначения
C8051F206, 226 25 8 1280 32 +20% 12 или 8 32 100K - TQ48
C8051F220, 221 25 8 256 32, 22 +20% 8 32 100K - TQ48, LQ32
C8051F230, 231 25 8 256 32, 22 +20% - - - - TQ48, LQ32
C8051F236 25 8 1280 32 +20% - - - - TQ48
Общего назначения (с высокой производительностью ядра)
C8051F130, 131, 132, 133 100 128, 64 8448 64, 32 +2% 10 8 100K - TQ100, TQ64
С интерфейсом USB 2.0
C8051F320, 321 25 16 2304 25, 21 +1.5% 10 17, 13 200K - LQ32, MLP28
C8051F326, 327 NEW 25 16 1536 15 +1.5% - - - - QFN28
C8051F341, 343, 345, 347 NEW 48, 25 32 3328 40, 25 +1.5% 10 17 200K - TQFP48, LQFP32
C8051F340, 342, 344, 346 NEW 48, 25 64 5376 40, 25 +1.5% 10 17 200K - TQFP48, LQFP32
С интерфейсом CAN 2.0B
C8051F040, 041, 042, 043 25 64 4352 64, 32 +2% 12 + 8 13 + 8 100K + 500К 12 + 12 TQ100, TQ64
C8051F044, 045, 046, 047 25 64, 32 4352 64, 32 +2% 10 13 100K - TQ100, TQ64
C8051F060, 061, 062, 063 25 64 4352 59, 24 +2% 16 + 16 + 10 2 + 2 + 8 1M + 1M + 200K 12 + 12 TQ100, TQ64



Рис. 2 Типичная блок-схема микроконтроллера SiLabs
Рассмотрим представленные семейства подробнее.

Микроконтроллеры с точным АЦП

В семействе микроконтроллеров с точным АЦП можно выделить несколько линеек, обладающих некоторыми "персональными" особенностями.

Микроконтроллеры C8051F0xx обладают сравнительно невысоким быстродействием (20-25 MIPS) и относительно малой скоростью АЦП и предназначены для типовых бюджетных приложений.

Подсемейство C8051F12x обладает сверхпроизводительным ядром (до 100 MIPS). Высокая производительность также характерна и для операций умножения, так как микроконтроллеры данного семейства снабжены 2-тактовым 16x16-битным MAC-блоком (умножителем-сумматором). Хорошая точность встроенного тактового генератора (+2%) позволяет использовать его для поддержки UART. Энергопотребление кристаллов этой линейки достигает 65 мА в активном режиме. Кристаллы C8051F12x удобно использовать во встраиваемых приложениях, требующих высокой производительности ядра, большим объемом памяти программ, и хороших характеристик АЦП и ЦАП.

Отличительная особенность микроконтроллеров C8051F064:067 - наличие двух высокоскоростных АЦП, частота дискретизации которых составляет 1 Msps при нелинейности +0,75 MЗР. У микроконтроллеров этого подсемейства отсутствует ЦАП и датчик температуры.

Микроконтроллеры C8051F35x содержат высокоточный 24- или 16-разрядный сигма-дельта АЦП, показатель нелинейности которого составляет всего 0,0015%, а скорость преобразования достигает 1 ksps. Эти кристаллы удобно использовать в измерительных устройствах, где требуется большой динамический диапазон преобразования АЦП при невысокой скорости выдачи отсчётов.

Микроконтроллеры общего назначения

В настоящее время компания SiLabs предпринимает активные действия по расширению своего присутствия на рынке устройств широкого потребления. Для этого в ряде новых кристаллов исключена часть периферийных узлов, что снижает конечную цену микросхем. Этим задачам отвечает семейство микроконтроллеров общего назначения - из них исключен цифровой коммутатор Crossbar, температурный датчик и ЦАП. Микроконтроллеры этой линейки являются универсальным инструментом для максимально быстрой разработки устройств, требующих высокой производительности, точности измерений, большой степени интеграции и малого энергопотребления при невысокой стоимости.

Микроконтроллеры общего назначения подсемейства C8051F2xx имеют объем Flash-памяти 8 Кбайт, ОЗУ - 1280 байт.

Линейка С8051F13x является аналогичной линейке С8051F12x - позволяет достигнуть производительности до 100 MIPS. Но в отличие от С8051F12x, С8051F13x имеет менее развитую аналоговую часть.

Миниатюрные микроконтроллеры

Низкая цена, миниатюрный корпус MLP (Micro Lead Pin) и малое энергопотребление кристаллов - вот главные отличительные особенности микроконтроллеров этого семейства. C8051F3xx идеально подходят для портативных применений, в том числе и с батарейным питанием.

Линейка C8051F30x на сегодняшний день является самой миниатюрной. Габаритные размеры для микроконтроллеров в корпусах MLP11 составляют всего 3x3х0,9 мм.

Микроконтроллеры C8051F31x и C8051F33x обладают большими возможностями по сравнению с кристаллами подсемейства C8051F30x. Прежде всего - это большая разрядность АЦП и большее количество линий ввода-вывода.

Микроконтроллеры с CAN-интерфейсом

В микроконтроллерах линеек C8051F04x/06x аппаратно реализован контроллер интерфейса CAN 2.0B. Основное отличие линеек F04x и F06x заключается в характеристиках АЦП.

C8051F04x содержат 12-битный 13-канальный АЦП (100 ksps) и 8-битный 8-канальный АЦП (500 ksps). В C8051F06x они заменены на два быстродействующих (до 1 Msps) двухканальных 16-битных АЦП и 10-битный 8-канальный АЦП (200 ksps).

Для обеспечения максимальной функциональности линейки в С8051F06x добавлен контроллер прямого доступа к памяти. C8051F04x содержит высоковольтный дифференциальный усилитель напряжения.

Микроконтроллеры с интерфейсом USB

Микроконтроллеры линейки C8051F32x - это дополненные интерфейсом USB миниатюрные микроконтроллеры C8051F31x. Высокая производительность, малое энергопотребление, удобный миниатюрный корпус, встроенный многоканальный 10-битный АЦП, компараторы и набор последовательных интерфейсов делает эти процессоры действительно универсальными. Они могут применяться в различных областях: бытовой, промышленной, телекоммуникационной и в системах автоматизации самых разнообразных процессов.

USB контроллер содержит:

  • универсальный последовательный контроллер (SIE)
  • FIFO буфер на 1 Кбайт
  • интегрированный приемопередатчик, не требующий при подключении внешних пассивных компонентов
  • схему восстановления частоты и внутренний генератор, позволяющий USB-контроллеру работать в режимах full-speed (12 Мбит/с) и low-speed (1,5 Мбит/с) .
Особенностью этого подсемейства также является наличие встроенного стабилизатора напряжения на 3,3 В с током нагрузки до 100 мА, что позволяет "запитывать" микроконтроллер непосредственно от шины USB. Помимо этого, стабилизатор имеет вывод для подключения внешней нагрузки, который может использоваться как источник напряжения питания для других 3-х вольтовых компонентов схемы.

Новые микроконтроллеры

В 2006 году SiLabs расширила семейства миниатюрных микроконтроллеров и микроконтроллеров с интерфейсом USB.

В миниатюрном корпусе выпущено 4 новые микросхемы C8051F410:413, имеющие высокую степень интеграции, низкое энергопотребление, расширенный диапазон напряжений питания. Микросхемы содержат до 32 кБайт Flash-памяти, имеют быстродействие до 50 MIPS, включают 12-разрядный 20/24-канальный АЦП, два токовых 12-битных ЦАП и, впервые, имеют расширенное напряжение питания от 2,0 до 5,25В.

Еще одна новая для микроконтроллеров SiLabs особенность - наличие блока SmaRTClock в C8051F41x, обеспечивающего переключение на питание от резервной батареи в случае исчезновения напряжения на основной линии питания.

В линейке C8051F31x появилось еще 2 новых микроконтроллера C8051F316 и C8051F317, выпускаемых в корпусах с меньшим количеством выводов - QFN24.

Расширена линейка микроконтроллеров с интерфейсом USB. Новая линейка имеет общее наименование C8051F34x и представлена 8-ю микросхемами C8051F340:7, Серийный выпуск этих микросхем запланирован на конец 1-го квартала 2006 года.

К особенностям данной линейки можно отнести более высокую производительность (до 48 MIPS) у микросхем C8051F340/1/2/3, наличие интерфейса внешней памяти, большой объем статической памяти (SRAM), большее количество линий ввода-вывода (по сравнению с F32x).

Выводы

Ключевые характеристики, по которым микроконтроллеры SiLabs превосходят изделия других производителей: миниатюрные размеры корпуса микроконтроллеров, имеющих на борту АЦП и ЦАП; самая высокая производительность для 8-разрядных микроконтроллеров; ЦАП и АЦП на кристалле превосходят по своим характеристикам аналогичные микроконтроллеры других производителей, их можно сравнивать только с дискретными микросхемами. В то же время широкая номенклатура выпускаемых микроконтроллеров позволяет подобрать оптимальный для решения конкретной задачи компонент. Более подробную информацию о производимых компанией МК можно найти на сайте www.silabs.com

© 1999-2016 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.
Контактная информация