Цифро-аналоговая диалектика: MAX11300 - 20 универсальных цифро-аналоговых портов в одном корпусе

MAX11300 – уникальная 20-канальная программируемая микросхема, способная работать с различными типами цифровых и аналоговых сигналов. Каждый из 20 каналов MAX11300 может быть настроен как аналоговый выход ЦАП, аналоговый вход АЦП, цифровой вход, цифровой выход, аналоговый ключ (Рис. 1). В итоге микросхема является универсальным инструментом для создания самых разнообразных приложений.

Рис. 1.	MAX11300 – уникальная программируемая цифро-аналоговая микросхема.

Мультиплексирование множества функций на одном выводе ИС – достаточно распространенная практика. Это можно наблюдать в самых различных компонентах: в простейших расширителях портов ввода/вывода, в микроконтроллерах, в программируемых аналоговых матрицах (FPAA) и т. д. С одной стороны, это позволяет уменьшить число выводов, а значит снизить габариты ИС. С другой стороны, добавляет гибкости, так как одну и ту же микросхему можно конфигурировать в соответствии с требованиями конкретного приложения.

Для простейших микросхем расширителей портов ввода/вывода конфигурирование каналов ограничено несколькими цифровыми функциями: цифровой вход или выход. Для микроконтроллеров незначительная часть портов имеет расширенный функционал. Они могут работать как цифровые входы/выходы или как аналоговые каналы ЦАП или АЦП. В программируемых аналоговых матрицах FPAA каналы ориентированы на мультиплексирование различных аналоговых функций.

Однако ни один из перечисленных компонентов не является идеальным. И причина этого проста: при создании микросхем с конфигурируемыми выводами неизбежно приходится идти на компромиссы (Рис. 2).

Можно сделать универсальную микросхему, которая имеет возможность гибкой настройки. Однако для этого требуется много ресурсов, что неизбежно приведет к увеличению габаритов. При этом в большинстве приложений все богатство возможностей неизбежно оказывается невостребованным и получается стрельба из пушки по воробьям. Этим отличаются FPAA, из-за чего их применение достаточно ограничено. Однако если гибкость конфигурирования и функционал будут недостаточными, то и область применение микросхемы окажется узкой.

С другой стороны, как показывает практика и здравый смысл, если одну микросхему снабдить множеством разнообразных цифровых и аналоговых функций, то это неизбежно негативно отразится на характеристиках. Например, существующие FPAA не могут похвастать высокими метрологическими свойствами, а разброс параметров оказывается выше, чем в дискретных компонентах. Однако схемы на дискретных компонентах абсолютно не универсальны. Таким образом, между универсальностью и качественными характеристиками также придется искать компромисс. Такой компромисс был предложен компанией Maxim Integrated в виде микросхемы MAX11300.

Рис. 2.	Проблемы создания программируемых цифро-аналоговых микросхем.

MAX11300 – уникальная микросхема, которую сами разработчики относят к классу PIXI, что расшифровывается как «Programmable mIXed sIgnal input/output». Таким образом, MAX11300 – это программируемая микросхема с входами/выходами, предназначенными для работы с различными типами цифровых и аналоговых сигналов.

Всего у MAX11300 в наличии 20 конфигурируемых выводов. Каждый из них программируется на одну из следующих функций:

• аналоговый выход 12-бит ЦАП, программируемые диапазоны напряжения выходных сигналов 0…10 В, ±5 В, –10…0 В;
• аналоговый вход 12-бит АЦП, программируемые диапазоны напряжения входных сигналов 0…2.5 В, 0…10 В, ±5 В, –10…0 В;
• цифровой вход с рабочими уровнями напряжения 0…5 В;
• цифровой выход с рабочими уровнями напряжения 0…10 В;
• аналоговый ключ.

Кроме того, входы/выходы могут попарно комбинироваться. Входы АЦП могут объединяться в дифференциальную пару. Пара вход и выход может образовывать цифровой повторитель с преобразованием уровня напряжения.

Для столь гибкой настройки в составе MAX11300 есть все необходимые блоки (Рис. 3): ЦАП с контроллером очереди, АЦП с контроллером очереди, мультиплексор PIXI Port Manager, система питания и тактирования. Микросхема содержит внутренний источник опорного напряжения 2.5 В, но есть возможность подключения и внешнего ИОН. Еще одной особенностью MAX11300 является встроенный датчик температуры, впрочем, допускается подключение до двух внешних сенсоров. Взаимодействие с внешним управляющим контроллером происходит с помощью стандартного SPI-совместимого интерфейса.

Рис. 3.	Структура MAX11300.

Не сложно заметить, что количество возможных комбинаций настроек MAX11300 просто зашкаливает. Для каждого конкретного случая микросхема конфигурируется по-своему. В итоге, области применения для нее чрезвычайно обширны. Назовем лишь некоторые из них:

• усилители мощности базовых радиостанций;
• системы контроля и супервизоры;
• блоки питания;
• системы оптической связи;
• системы промышленной автоматизации.

В качестве конкретного примера стоит рассмотреть референсную схему MAXREFDES39# – усилителя мощности базовой ВЧ станции (Рис. 4). Эта схема демонстрирует значительную часть всех особенностей MAX11300.

Рис. 4.	Пример использования MAX11300 в составе усилителя мощности базовой ВЧ станции.

Схема содержит два силовых транзистора PTMA210152, пару DC/DC преобразователей MAX17503, пару шунтовых датчиков тока на базе MAX44285, датчики напряжения в виде резистивных делителей. Мониторинг и контроль всей этой системы производится с помощью единственной микросхемы MAX11300! Для этого ее выводы настроены соответствующим образом:

• два выхода ЦАП 0…10 В (fb2, fb1) управляют выходным напряжением MAX17503;
• два выхода ЦАП 0…10 В (VG1, VG2) задают напряжение смещения силовых транзисторов;
• два выхода настроены для работы в режиме аналогового ключа, для коммутации напряжений смещения (VG1, VG2) на затворы транзистора;
• два входа АЦП 0…10 В (VOUT1_DET, VOUT2_DET) служат для контроля выходного напряжения;
• два входа АЦП 0…2.5 В (IOUT1_DET, IOUT2_DET) служат для контроля выходного тока;
• один вход АЦП 0…10 В (VIN_DET) необходим для контроля входного питающего напряжения.

Для настройки и конфигурации MAX11300 может использоваться внешний контроллер или ПК. Для подключения к ПК в схеме создан мост USB-SPI на базе микросхем MAX14850 и MAXQ622.

При использовании ПК настройку MAX11300 можно осуществлять с помощью специального ПО с удобным графическим интерфейсом (Рис. 5). Пользователю требуется всего лишь подключить к выводам MAX11300 соответствующие УГО функциональных блоков. С такой задачей справится даже студент младших курсов.

Полная принципиальная схема данного приложения, а также описание ее работы выложено на сайте Maxim Integrated.

Рис. 5.	Внешний вид окна настройки MAX11300.

Чтобы ознакомиться со всеми особенностями MAX11300, не потребуется разводить тестовую плату – можно воспользоваться готовыми оценочными наборами (Рис. 6):

MAX11300PMB1 – оценочный набор, который кроме MAX11300 содержит разъемы расширения и законченную систему питания. Система питания состоит из повышающего преобразователя MAX8752 для получения 13 В из входного напряжения 3.3 В, понижающих преобразователей MAX5084 и MAX5084 для получения напряжений 5 В и 12 В. Для подключения MAX11300PMB1 к ПК требуется дополнительная плата адаптера USB2PMB1.

MAX11300EVKIT – оценочный набор, который кроме MAX11300 включает разъемы расширения, законченную систему питания, два дополнительных датчика температуры, схему адаптера USB-SPI. В отличие от MAX11300PMB1, набор MAX11300EVKIT может напрямую подключаться к ПК с помощью стандартного USB-кабеля.

Рис. 6.	Оценочные платы для MAX11300.

Характеристики MAX11300GCM+ и MAX11300GTL+:

• количество универсальных портов: 20;
• виды конфигураций портов: аналоговый выход ЦАП, аналоговый вход АЦП, цифровой вход, цифровой выход, аналоговый ключ;
• характеристики АЦП: 12-бит, программируемые диапазоны напряжения входных сигналов 0…2.5 В, 0…10 В, ±5 В, –10…0 В;
• характеристики ЦАП: 12-бит, программируемые диапазоны напряжения выходных сигналов 0…10 В, ±5 В, –10…0 В;
• рабочие уровни напряжения на цифровых входах: 0…5 В;
• рабочие уровни напряжений на цифровых выходах: 0…10 В;
• сопротивление аналогового ключа: 60 Ом;
• коммуникационный интерфейс: 20 МГц SPI/QSPI;
• корпус: 48TQFP-EP (MAX11300GCM+) или 40 TQFN-EP(MAX11300GTL+);
• диапазон рабочих температур: от –40 до +105 °C.

Характеристики оценочной платы MAX11300PMB1:

• базовая микросхема: MAX11300GTL+;
• интерфейс связи: SPI;
• разъем расширения: 20-выводный штыревой;
• подключение к ПК: с помощью адаптера USB2PMB1;
• питание: 3.3 В, дополнительное питание –12 В (если требуются биполярные выходы).

Характеристики оценочной платы MAX11300EVKIT:

• базовая микросхема: MAX11300GTL+;
• интерфейс связи: SPI и USB;
• разъем расширения: 50-выводный штыревой;
• подключение к ПК: есть;
• питание: 5 В от USB или от внешнего источника.

Посмотреть подробные характеристики программируемых матриц смешанных сигналов компании Maxim Integrated