Cyfryzacja społeczeństwa wydaje się nieunikniona w czasach, gdy świat kieruje się w stronę otaczania nas inteligencją, zbudowaną w oparciu o coraz bardziej powszechne wykorzystanie robotyki i Internetu Rzeczy (Internet of Things, IoT). Strumienie danych płynących pomiędzy urządzeniami końcowymi a chmurą oraz sygnały, które informują roboty o ruchach – są przekazywane w postaci binarnej. Tymczasem fizyczny świat pozostaje cały czas analogowy. To właśnie ten aspekt projektowania często decyduje jak dobrze systemy są w stanie wchodzić w interakcje z otoczeniem.

Analogowe interfejsy stały się bardziej potrzebne niż kiedykolwiek wcześniej. Dzieje się tak za sprawą ogromnego wzrostu liczby stosowanych czujników wykorzystywanych do rejestrowania i przetwarzania sygnałów środowiskowych. Podobnie duże znaczenie mają aktuatory, które fizycznie realizują zmiany w środowisku. Przykładowo – dostarczanie mocy polega na zdolności do precyzyjnego przewidywania i mierzenia zmian w polu elektrycznym i magnetycznym oraz na współpracy z elektroniką, która pozwoli na przełączanie odpowiednich prądów z dużą szybkością. W rezultacie interfejs pomiędzy domeną cyfrową i analogową jest krytycznie ważny. Aby funkcjonował sprawnie, często trzeba brać pod uwagę aplikację, w której ma być użyty. Pozwala to uzyskać pewność, że nie pominęło się niektórych subtelności sygnałów analogowych.

Komponenty ułatwiające integrację obwodów analogowych z cyfrowymi

W czasach gdy interfejs pomiędzy światem analogowym a cyfrowym jest tak ważny, a zarazem silnie zależny od aplikacji, projektowanie tzw. aplikacji mieszanych (analogowo-cyfrowych), wymaga wysokiej specjalizacji. Często może się wydawać, że do danego projektu da się użyć ogromnej liczby różnych podzespołów. Tym niemniej należy wziąć pod uwagę szczegółowe wymagania budowanej aplikacji. Znalezienie odpowiednich komponentów do danego zadania może stanowić wyzwanie. Projektanci muszą więc wziąć pod uwagę wszystkie możliwości, by mieć pewność, że dokonali najlepszego wyboru.

Dawniej całkiem sensownym podejściem było wybranie dużej liczby oddzielnych elementów i połączenie ich na wspólnej płytce drukowanej. Jednakże wymagania rynku się zmieniły i obecnie nabywcy potrzebują wysoce zintegrowanych komponentów, które mogą spełnić specyficzne potrzeby, określane za pomocą zestawu funkcji, rozmiaru, poboru mocy i oczekiwanej precyzji działania. Przykładowo, w projektach stworzonych pod kątem IoT, umieszczenie czujników jest bardzo ważne z punktu widzenia architektury systemu, podobnie jak parametry obwodów kondycjonujących i przetwarzających sygnały.

Istnieje potrzeba, by umieszczać układy przetwarzające tak blisko wejść jak to możliwe, celem uniknięcia degradacji sygnału przez analogowe zjawiska pasożytnicze. Tego typu wymagania można zaobserwować w aplikacjach monitorujących warunki środowiskowe, np. w logistyce opartej o utrzymywanie niskiej temperatury, a także w monitorowaniu centr danych. W takich sytuacjach konieczne staje się użycie wielu czujników temperatury, które będą rozmieszone w odpowiedniej odległości od siebie. Można wtedy porównywać ich odczyty. Niezwykle ważnym jest wtedy użycie niewielkiego układu kondycjonowania i konwertera, który pozwoli niewielkim kosztem przesyłać cyfrowe dane do koncentratora.Jednym z takich przykładów jest wykorzystanie protokołu komunikacyjnego one-wire. W układzie MAX31825 od Maxim Integrated służy on do zapewnienia transmisji cyfrowej przy zachowaniu minimalnych kosztów nawet w dużych systemach. Interfejs ten pozwala na podpięcie do 64 czujników i adresowanie ich z użyciem 64-bitowego kodu przesyłanego szeregowo. Czujnik temperatury MAX31825 pozwala na odczyty z 12-bitową rozdzielczością, w zakresie od -45°C do +145°C.

Czujniki i uczenie maszynowe

Inne systemy muszą podołać licznym sygnałom nadchodzącym z sensorów sygnałom jednocześnie. Pozwala to niezawodnie wykrywać warunki środowiskowe oraz w inteligentny sposób przetwarzać otrzymywane informacje. Jeśli czujnik może sam przeanalizować dane i zgłaszać jedynie informacje o znaczących zmianach, istotnie zmniejsza to przepustowość wymaganą do raportowania danych do podłączonych wokół systemów. Prowadzi to do minimalizacji zużycia energii, gdyż właśnie transmisja radiowa odpowiada za znaczącą ilość pobieranej energii w IoT. Wprowadzając mechanizmy efektywnego przetwarzania danych w urządzeniach na krańcach sieci można znacząco wydłużyć czas pracy sprzętu na zasilaniu bateryjnym. Obecnie w urządzeniach pracujących z sygnałami cyfrowymi i analogowymi implementuje się nawet algorytmy uczenia maszynowego.

Wykorzystanie fuzji danych z czujników i uczenia maszynowego jest szczególnie ważne w systemach, które muszą wykrywać pozycję lub trajektorie. Pomaga to radzić sobie z zaszumionymi sygnałami, co zazwyczaj wynika z wibracji i innych źródeł błędów. O ile jest możliwe, by połączyć bardzo zaawansowane mikrokontrolery z konwerterami danych, aby uzyskać niezbędne funkcje, istnieją komponenty, które są w stanie realizować oba zadania. Dobrym przykładem są układy STMicroelectronics iNEMO. Są to podzespoły SiP, w których wbudowane zostały zarówno akcelerometry, żyroskopy i magnetometry, a także kod uczenia maszynowego. Niezawodnie określa on pozycję w bardzo różnorodnych aplikacjach, począwszy od śledzenia zasobów, a kończąc na robotyce. Wysoki stopień integracji pomaga utrzymywać pobór mocy na minimalnym poziomie, pozwalając głównemu mikrokontrolerowi w systemie na przebywanie w stanie uśpienia przez długi czas, bez utraty dokładności lub zdolności ciągłego wykrywania zdarzeń.

Połączenie funkcji w iNEMO to dobry przykład sytuacji, gdzie wysoki stopień integracji oraz doświadczenie specjalistów w konkretnej dziedzinie znacząco zwiększają wartość oferowanych funkcji i wydajność układu w aplikacjach.

Sprawne dostarczanie mocy

Tak samo, jak ważne jest inteligentne projektowanie z uwzględnieniem sygnałów analogowych i cyfrowych, istotna jest też zdolność urządzeń czujnikowych w sieci IoT do pracy z niskim poborem energii i sprawnym dostarczaniem mocy. Firmy specjalizujące się w komponentach mocy, jak ON Semiconductor, pokazały, że możliwym jest zmieszczenie dużej liczby funkcji w małej przestrzeni. Przykładowo, układ FAN54120 to najmniejszy spośród obecnie dostępnych na rynku podzespołów ładujących akumulatory. Jest produkowany w obudowie DFN6 lub WLCSP6 i został zaprojektowany z myślą o łatwości użytkowania. Gdy pracuje w roli ładowarki, nie wymaga interakcji ze strony użytkownika, ani jakiegokolwiek nadzoru z poziomu głównego mikrokontrolera urządzenia. Ładowarka samodzielnie radzi sobie z jednoogniwowymi akumulatorami litowo-jonowymi lub litowo-polimerowymi oraz ze specjalnymi warunkami pracy. Są to np. sytuacje, gdy konieczne staje się uruchomienie kompletnie rozładowanego akumulatora.

Oczywiście to tylko dodatkowe funkcje, uzupełniające takie podstawowe mechanizmy jak ładowanie wstępne, ładowanie szybkie, czy podtrzymywanie stanu naładowania. Wszystkie są niezbędne do pracy z wymienionymi rodzajami ogniw. Warto dodać, że układ FAN54120 cechuje się bardzo niskim prądem samoczynnego rozładowywania ogniw, nieprzekraczającym 120 nA.

Układ balansujący MPS6272

Na potrzeby urządzeń, które wymagają zastosowania dwóch ogniw połączonych szeregowo i odpowiedniego równoważenia ich napięć, MPS zaprojektowała układ MP2672. Aby uzyskać wysoką swobodę projektowania, układy tej serii mogą być programowanie za pomocą stanów wyprowadzeń układu lub z użyciem oprogramowania działającego na głównym mikrokontrolerze systemu, który przesyła nowy program poprzez magistralę I2C. Odpowiednia struktura obwodów zasilających sprawia, że całe urządzenie może pracować nawet przy słabej baterii. Napięcie wyjściowe podawane do komponentów urządzenia jest utrzymywane na wystarczającym poziomie w trakcie gdy akumulator jest ładowany.

Przetwornica MPM3695-10

Wiele urządzeń, a w tym komponenty sieciowe wyposażone w czujniki, wymagają różnych poziomów napięcia zasilania. Celem jest zasilenie specyficznych obwodów bez godzenia się na kompromisy w zakresie rozmiaru, masy i sprawności. Układ MPM3695-10 MPS jest niezwykle cienką (2 mm) przetwornicą DC/DC, którą z łatwością można umieścić na tylnej stronie płytki drukowanej. Mimo niewielkich rozmiarów jest ona w stanie dostarczać do 10 amperów prądu. By ułatwić kontrolę pracy układu, układ wyposażono w pełny interfejs PMbus. Podzespół cechuje się rewelacyjnymi parametrami stabilizacji napięcia w szerokim zakresie napięć wejściowych.

Układ MCP19123 z wbudowanym 8-bitowym rdzeniem PIC

Kolejnym przykładem bardzo silnej integracji, jaką możemy obserwować obecnie w układach mocy jest wyprodukowany przez firmę Microchip Technology układ MCP19123. Łączy on wysoką sprawność z wbudowanym mikrokontrolerem, bazującym na 8-bitowej architekturze PIC. Powyższe cechy pozwalają układowi na dostarczenie szerokiego zestawu funkcji monitorujących i zarządzających zasilaniem w systemie. Sama sekcja analogowa również jest wysoce konfigurowalna. Wykorzystano w niej m.in. programowalny wzmacniacz w pętli sprzężenia zwrotnego przetwornicy obniżającej oraz regulowane źródło napięcia odniesienia. W układzie, poza obwodami dostarczania mocy, znalazły się timery oraz czujnik temperatury pomagający monitorować stan systemu, w którym zainstalowano układ. Efektem starań inżynierów z Microchipa jest przetwornica sterowana sygnałem PWM, która pozwala szybko i sprawnie dostarczać zasilanie. Przy okazji inteligentnie reaguje na zmieniające się warunki.

Wszystko razem

Wraz z rosnącym naciskiem na miniaturyzację, zmniejszanie kosztów i integracje, obwody analogowe będą coraz częściej łączone z funkcjami przetwarzania cyfrowego, prowadząc do powstawania ogromnej liczby innowacji w łańcuchach dostaw. I o ile nadające się podzespoły będą oferowane przez różnych, wielkich producentów, dostarczających różne podzespoły, wysoka różnorodność aplikacji i producentów w łańcuchach dostaw oznacza, że często najlepiej dopasowany układ będzie pochodził od bardziej wyspecjalizowanego wytwórcy. Inżynierowie powinni poszukać elementów do swoich kolejnych projektów nie tylko u największych, najbardziej znanych producentów układów analogowych. Doświadczeni dystrybutorzy, oferujący ponadto usługi wsparcia podczas projektowania, właśnie tacy jak firma Farnell, mogą przeanalizować potrzeby klienta i nakierować go w odpowiednią stronę.