Analoge Signalverarbeitung im μC
MSP430 mit programmierbaren Analogschaltungen
Mit konfigurierbaren analogen Peripheriefunktionen lassen sich typische Schaltungen zur Sensorsignalaufbereitung direkt im Mikrocontroller realisieren. Für Entwickler bieten die „Smart Analog Combo“ genannten Analogmodule des MSP 430 zusätzliche Flexibilität beim Schaltungs- und Software-Entwurf.
Sensoren dienen dazu, unterschiedliche physikalische Größen aus der realen Welt zu erfassen und in elektrische Signale zu wandeln. Die Ausgangssignale der Sensoren sind meist von geringer Amplitude und mit Rauschen behaftet und müssen deshalb verstärkt und gefiltert werden. Im Anschluss an diese Signalaufbereitung übernimmt ein Analog-Digital-Umsetzer (ADU) die Umsetzung des ursprünglich analogen Signals in eine digitale Information, die dann von einem Prozessor oder Mikrocontroller analysiert werden kann.
In den Mikrocontrollern der Familie MSP430FR23xx hat Texas Instruments analoge Schaltungen als programmierbares Analogmodul integriert, das als „Smart Analog Combo“ (SAC) bezeichnet wird. Ein solches SAC-Modul enthält:
- einen Operationsverstärker (OPV) mit niedriger Stromaufnahme,
- einen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung – max. Verstärkungsfaktor 33 – und
- einen 12-bit-Digital-Analog-Umsetzer (DAU).
Mit den Smart-Analog-Combo-Modulen können analoge Schaltungen, die bisher mit zusätzlichen Komponenten außerhalb des Mikrocontrollers aufgebaut werden mussten, im Mikrocontroller realisiert werden. Dadurch lassen sich externe Bauelemente und Leiterplattenfläche einsparen, was dazu beiträgt, die Materialkosten zu senken.
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Das Konzept der Smart-Analog-Combo-Module
Das analoge Modul (SAC) kann je nach Bedarf im Eingangspfad für die Signalaufbereitung genutzt werden und im Ausgangspfad Ausgangssignale erzeugen und puffern. Es gibt drei verschiedene Konfigurationen (Level) für die SAC-Module:
- SAC-L1 umfasst lediglich den OPV
- SAC-L2 umfasst den OPV und einen Widerstands-Spannungsteiler im Rückkopplungspfad zur Konfiguration eines programmierbaren Verstärkers mit einem Verstärkungsfaktor von bis zu 33
- SAC-L3 ist die maximale Ausstattung: enthält zusätzlich zum programmierbaren Verstärker SAC-L2 noch einen 12-bit-DAU
Die verschiedenen Versionen der MSP430-Mikrocontroller sind mit unterschiedlichen SAC-Konfigurationen (Levels) ausgestattet. Zum Beispiel enthält der MSP430FR2311 ein SAC-L1-Modul, wogegen in den MSP430FR2355 vier SAC-L3-Module integriert sind. Das jeweilige Datenblatt informiert darüber, welche SAC-Konfigurationen und welche Anzahl an SAC-Modulen ein bestimmter Mikrocontroller enthält.
Bild 1 zeigt die Blockschaltung eines SAC-L3-Moduls. Der integrierte Verstärker kann Ein- und Ausgangssignale bis zu den Versorgungsspannungspegeln (Rail-to-Rail) verarbeiten. Die beiden Multiplexer erlauben es, zwischen mehreren Eingängen für den OPV zu wählen.
Mit dem Steuerbit „Op-Amp Power Mode“ (OAPM) wird die Leistungsaufnahme des OPV festgelegt. Im High-Power-Modus bietet der OPV ein größeres Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt und eine höhere Anstiegsgeschwindigkeit. Wenn es in einer Schaltung aber eher auf eine geringe Stromaufnahme ankommt, lässt sich für den OPV der Low-Power-Modus wählen, indem das OAPM-Bit auf 1 gesetzt wird.
Der Widerstands-Spannungsteiler im Rückkopplungspfad verbindet den Ausgang des OPV mit seinem invertierenden Eingang und dient somit als Gegenkopplungspfad. Der OPV kann sowohl als invertierender als auch als nichtinvertierender Verstärker verwendet werden. Ebenfalls in das SAC-L3-Modul integriert ist ein DAU mit 12 bit Auflösung. Er kann eine Vorspannung für den OPV erzeugen oder zusammen mit dem OPV eine bestimmte Wellenform generieren und auf den Ausgang legen.
Verstärker mit unipolarer Versorgungsspannung
Da ein SAC-Modul zu den analogen Peripheriefunktionen des Mikrocontrollers gehört, wird es über den Stromversorgungsanschluss des Mikrocontrollers versorgt. Der integrierte OPV ist deshalb für den Betrieb an einer unipolaren Versorgungsspannung ausgelegt, im Bereich von 2 V bis 3,6 V. Das bedeutet auch, dass seine Eingänge massebezogen sind.
Die Schaltung eines OPV mit bipolarer Versorgungsspannung ist unkompliziert, da die Eingänge und der Ausgang des OPV auf das normalerweise mit der Masse verbundene Mittelpotenzial der beiden Versorgungsspannungen bezogen sind. Die Schaltung eines OPV für eine unipolare Versorgungsspannung ist dagegen etwas komplizierter, da in der Regel eine gewisse Vorspannung benötigt wird. Die Spannungen an den Eingängen und am Ausgang des OPV müssen auf einem Potenzial liegen, das sich zwischen den Spannungen an den beiden Stromversorgungsanschlüssen befindet. Denn negative Spannungen werden von dem SAC-Modul weder an den Eingängen noch am Ausgang unterstützt.
Ist ein SAC-Modul als invertierender Verstärker konfiguriert, wird am nichtinvertierenden Eingang eine Vorspannung benötigt, damit das Ausgangssignal nicht durch Begrenzung (Clipping) verzerrt wird. In einer typischen Schaltung eines invertierenden OPV für den Betrieb an einer unipolaren Versorgungsspannung, wird die Vorspannung am nichtinvertierenden Eingang über einen Spannungsteiler erzeugt. Im SAC-Modul wird dafür der DAU mit seiner eingebauten Referenzspannung genutzt.
Wenn ein SAC-Modul als nichtinvertierender Verstärker konfiguriert ist und das Eingangssignal einen geringen Gleichspannungsanteil aufweist, ist es hinnehmbar, sowohl den DC- als auch den AC-Anteil des Signals zu verstärken. Hat das Eingangssignal dagegen einen relativ hohen DC-Anteil, wogegen der AC-Anteil gering ist, so erfordert der AC-Anteil eine hohe Verstärkung. Würde der DC-Anteil ebenfalls mit diesem hohen Faktor verstärkt, käme es unweigerlich zu Verzerrungen des Ausgangssignals. Dieses Problem lässt sich mit einer Vorspannung am invertierenden Eingang lösen, indem die Gleichtakt-Eingangsspannung reduziert wird.
Ebenso wie die invertierende Verstärkerschaltung kann auch der nichtinvertierende Verstärker ohne externe Bauelemente allein mit dem SAC-Modul realisiert werden. Der Unterschied ist allerdings, dass hierfür zwei SAC-Module benötigt werden, weil der DAU im SAC-Modul nur mit dem nichtinvertierenden Eingang des OPV verbunden werden kann. Das zweite SAC-Modul arbeitet deshalb im DAU-Modus, um die Vorspannung für den invertierenden Eingang des OPV zu erzeugen.
- MSP430 mit programmierbaren Analogschaltungen
- Einfache Programmierung per SAC-Treiberbibliothek
- Betrieb als Digital-Analog-Umsetzer
- SAC-Module mit anderen Funktionen kombinieren
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