Mikrocontroller für Sensorik RX-Mikrocontroller mit integrierten analogen Eingangsstufen

Zuwachs in der RX-Mikrocontrollerfamilie: RX23E-A mit analogen Stufen auf dem Chip.
Zuwachs in der RX-Mikrocontrollerfamilie: RX23E-A mit analogen Stufen auf dem Chip.

Für Temperatur-, Druck- sowie andere Messungen analoger Signale hat Renesas seine RX-Mikrocontrollerfamilie erweitert. In der neuen RX23E-A-Serie sind präzise Analogschaltungen integriert – für Messungen mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 %.

In seiner neuen RX-Mikrocontrollerfamilie RX23E-A kombiniert Renesas auf einem Chip präzise analoge Schaltungen – Verstärker, Multiplexer, AD-Umsetzer – mit einem 32-bit-Mikrocontroller (RXv2-Kern). Sie sind für Anwendungen in der Fertigung sowie für Test- und Messeinrichtungen konzipiert, die Analogsignale – z.B. zum Messen von Temperatur, Druck, Gewicht und Durchfluss – präzise erfassen und verarbeiten sollen. Die neuen Mikrocontroller sind die ersten SoCs von Renesas, mit denen sich solche Signale ohne eine Kalibrierung mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 % messen lassen.

Die neuen Mikrocontroller RX23E-A erreichen bei der Verarbeitung analoger Eingangssignale eine Genauigkeit der branchenweit höchsten Güteklasse: Offset-Drift: 10 nV/K, Verstärkungs-Drift: 1 ppm/K und RMS-Rauschen von 30 nVrms. Ein vergleichbares Niveau konnte bisher nur durch eine Kombination separater AD-Umsetzer mit präzisen Operationsverstärkern erreicht werden. Renesas ist es nun gelungen eine analoge Präzisions-Eingangsstufe (IP – Intellectual Property) zusammen mit dem Mikrocontroller auf einem einzigen Chip zu realisieren, der in einer Fertigungstechnik hergestellt werden kann.

Funktionen, wie eine präzise Sensorsignalverarbeitung und Berechnungen sowie Steuerung und Kommunikation, sind damit auf einem Chip implementiert, was die Anzahl erforderlicher Komponenten reduziert, Platz auf der Leiterplatte spart und die Schaltungsentwicklung vereinfacht.

Kern der RX23E-A-Mikrocontroller ist der RXv2-Prozessorkern, der sich durch eine Taktfrequenz von 32 MHz, einem digitalen Signalprozessor (DSP) und einer Gleitkommaeinheit (FPU – Floating Point Unit) auszeichnet. Mit den Prozessoren lassen sich adaptive Regelkreise realisieren, die beispielsweise auf der Basis von Temperaturmesswerten mit inversen Matrixberechnungen Störgrößen von sechs Achsen berücksichtigen. Kraftsensoren in Roboterarmen benötigen z.B. eine Messung und Berechnung solcher sechs-Achsen-Einflüsse auf kleinem Raum. Die RX23E-A-Mikrocontroller können diese sechs-Achsen-Signale messen und inverse Matrixberechnungen durchführen – auf einem Chip.

Die wichtigsten Merkmale der RX23E-A-Mikrocontroller

Analoge Eingangsstufen:

  • Zwei 24 bit Delta-Sigma-AD-Umsetzer mit bis zu 23 bit effektive Auflösung und Daten-Ausgaberaten von 7,6 Hz bis 15,6 kHz. Beide ADUs können synchron starten, so dass die Sensortemperaturkorrektur ohne Kanalwechsel durchgeführt werden kann.
  • Zwei programmierbare Verstärker (PGA – Programmable Gain Amplifier) mit Rail-to-Rail-Eingängen. Sie ermöglichen eine Verstärkung vom Faktor 1 bis zu 128. Offset-Drift: 10 nV/K, Gain-Drift: 1 ppm/K, RMS-Rauschen: 30 nVrms
  • Spannungsreferenz: 2,5 V, Toleranz: ±0,1 %, Niedrigtemperatur-Driftverhalten von 4 ppm/K mit guter Temperaturstabilität
  • Erregerstromquelle: Programmierbare Stromquelle (50 µA bis 1 mA) mit bis zu vier Kanälen und den erforderlichen Anpassungsfunktionen für einen Temperaturwiderstandsdetektor mit drei Leitern. Genauigkeit: ±0,2 %, Temperatur-Drift: 5 ppm/K
  • Versorgungsspannung: 2,7 V bis 5,5 V
  • Analogeingänge: Differenzialeingänge mit bis zu sechs Kanälen, pseudodifferenzielle Eingänge mit bis zu elf Kanälen, asymmetrische Eingänge mit bis zu elf Kanälen. Alle Eingänge lassen sich über einen Multiplexer als Eingänge für die beiden AD-Umsetzer nutzen.

Mikrocontroller:

  • CPU: RXv2-Prozessorkern (32 bit) mit einer Taktfrequenz von 32 MHz
  • Digitale Signalverarbeitung lässt sich mit DSP-Befehlen und FPU beschleunigen
  • Speicher: ROM (Flash): 128 bis 256 KB, RAM (SRAM): 16 bis 32 KB
  • Schnittstellen: SPI (1 Kanal), UART (4 Kanäle), I2C (1 Kanal), CAN (1 Kanal)
  • Sicherheitsfunktionen: Selbstdiagnose und Unterbrechungserkennung für die AD-Umsetzer, Einheit zur Messung der Taktgenauigkeit, unabhängiger Watchdog-Timer, RAM-Testfunktionen über den DOC (Data Operation Circuit) und andere Schaltkreise.
  • Versorgungsspannung: 1,8 V bis 5,5 V.

»Die RX23E-A Mikrocontroller entwickeln die Struktur hochpräziser analoger Messsysteme grundlegend weiter«, erklärt Akira Denda, Vice President, Industrial Automation Business Division, Renesas Electronics Corporation. »Beginnend mit der RX23E-A-Familie wird Renesas eine umfassende Produktlinie bereitstellen. Diese integriert Mikrocontroller mit hochpräzisen Analogschaltungen auf einem Chip für programmierbare Logik-Controller, dezentrale Steuersystemanwendungen sowie Test- und Messgeräte, die eine Vielzahl von präziseren Messungen erfordern.«

Die Mikrocontrollerfamilie RX23E-A werden in QFP-Gehäusen mit 48 (7 × 7 mm2) oder 40 Anschlüssen (6 × 6 mm2) angeboten, für zwei Betriebstemperaturbereiche: –40 °C bis +85 °C, –40 °C bis +105 °C. Muster sind ab sofort erhältlich, die Großserienfertigung plant Renesas für Dezember 2019.