XMC4500-Mikrocontroller von Infineon: Cortex-M4-basiert mit FPU und DSP-Zusatz als CPU-Kern; DS-Demodulator inklusive (Infineon)

Mikrocontroller mit hochauflösenden A/D-Wandlern

Messaufgaben bei Verbrauchszählern (Smart Meter), Messbrücken und die Auswertung unverstärkter Kleinsignale erfordern eine hohe nominale Auflösung. Vielzweck-MCUs sind jedoch meist mit A/D-Wandlern ausgestattet, die nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation (SAR) wandeln. Damit erzielen sie nominale Auflösungen zwischen 10 und 12 Bit. Für höhere Auflösungen werden Mikrocontroller mit A/D-Wandlern angeboten, die auf dem Delta-Sigma-Verfahren basieren. Jüngste Beispiele sind 32-Bit MCUs von Renesas, STMicroelectronics und Infineon.

Renesas RX21A mit bis zu sieben A/D-Wandlern

 Bild 1: RX21A von Renesas mit 32-Bit-CPU-Kern und bis zu sieben Delta-Sigma-A/D-Wandlern mit je 24 Bit Auflösung
Bild 1: RX21A von Renesas mit 32-Bit-CPU-Kern und bis zu sieben Delta-Sigma-A/D-Wandlern mit je 24 Bit Auflösung

Der RX21A mit 32-Bit-CPU-Kern gehört zur Low-Power High-Performance-Reihe RX200 von Renesas. Ausgestattet mit bis zu sieben Delta-Sigma ADCs mit jeweils 24 Bit Auflösung erzielt er eine Wandlungsrate pro A/D-Wandler von maximal 12 KSamples/s.

Als Referenzspannung steht dem ADC eine interne Bandabstandsreferenz mit einer Temperaturdrift von max. 30 ppm/°C zur Verfügung. Die Eingänge der A/D-Wandler können intern mit den Ausgängen der zwei On-Chip D/A-Wandlern mit einer Auflösung von 10 Bit  verbunden werden. Das ist praktisch für Kalibrierzwecke oder zur Messung der Versorgungsspannung. Jedem A/D-Wandler ist ein eigener PGA (Programmable Gain Amplifier) vorgeschaltet, deren Verstärkungsbereich zwischen 1 und 4 bzw. 1 und 64 liegt. Bei vier der sieben PGAs sind die Eingänge differenziell nach außen geführt. Die anderen drei invertierten Eingänge sind zusammengeschaltet und auf einen gemeinsamen Pin gelegt.

Für das sichere Fernauslesen verfügt der RX21A über eine Verschlüsselungs- und Entschlüsselungseinheit (DEU), die nach dem AES-Verfahren arbeitet. Die Capture-Funktion der Echtzeit-Taktquelle dient zum Zeitstempeln bei Manipulationsversuchen (Tamper Detection). Als Schnittstellen stehen UART, IrDA und SPI zur Verfügung. Zwei Komparatoren und zwei D/A-Wandler ergänzen die Analogausstattung. Ein ADC mit 10 Bit Auflösung, der nach dem SAR-Verfahren wandelt, gehört ebenfalls dazu. Mit diesen Eigenschaften eignet sich der RX21A besonders für 1- und 3-Phasen-Elektrizitätsmessgeräte sowie Laborgeräte und Waagen.

Den RX21A gibt es in den Gehäusevarianten 64-, 80- und 100-Pin-LQFP. Das integrierte Flash ist in Renesas’ eigener MONOS-Technologie ausgeführt. Sie ermöglicht, dass der RX21A über seinen gesamten Taktbereich bis 50 MHz Code ohne Waitstates ausführen kann. Die Speicherausstattung reicht von 256 bis 512 KByte Flash. Für den Ersatz eines EEPROMs dient ein 8 KByte großer Bereich an Datenflash mit mindestens 100.000 spezifizierten Lösch-/Schreibzyklen.

STMicroelectronics STM32F373 mit Cortex-M4F-Core

 Bild 2: STM32F373 von STMicroelectronics mit ARM Cortex-M4F-Core und FPU
Bild 2: STM32F373 von STMicroelectronics mit ARM Cortex-M4F-Core und FPU

Der STM32F373 gehört zur populären 32-Bit-Mikrocontrollerfamilie mit dem CPU-Kern ARM Cortex-M4F mit Fließkommaeinheit (FPU). Die Bausteine bieten bis zu drei separate Delta-Sigma ADCs mit Auflösungen von 16 Bit. Je nach Betriebsart lassen sich Wandlungsraten von 16,6 bis 50 KSamples/s erreichen. Dazu kommen noch ein SAR-A/D-Wandler mit 12 Bit Auflösung, bis zu drei D/A-Wandler, die ebenfalls mit 12 Bit auflösen und zwei Rail-to-Rail-Komparatoren. Der STM32F3 bietet eine reichhaltige Schnittstellenausstattung und lässt sich über USB oder CAN vernetzen.

Die USARTs verfügen über Steuersignale für Modems, unterstützen aber auch IrDA und die Übertragung nach ISO7816 für Smartcards. An den eingebauten Touchsense-Controller lassen sich bis zu 24 Berührflächen anschließen. Die Echtzeit-Taktquelle und einige RAM-Zellen liegen in einem eigenen Stromkreis mit herausgeführtem Pin zur Spannungsversorgung über eine Stützbatterie. Damit eignet sich der STM32F3 in Applikationen aus den Bereichen Mess- und elektrischer Antriebstechnik. Besonders das 3,8 mm x 4,3 mm messende Gehäuse WLCSP66 passt gut in miniaturisierte Sensoren.

STMicroelectronics bietet den STM32F3 in Gehäusen zwischen 48 und 100 Pins an. Der Speicherbereich reicht von 64 bis 256 KByte Flash ROM. Das RAM ist mit Parity-Bits ausgerüstet womit Bitfehler automatisch erkannt werden. Im Gehäuse mit 100 Pins sind die Leitungen der Embedded Trace Macrocell nach außen geführt, die für erweiterte Debugmöglichkeiten sorgt.

Infineon XMC4500 mit DS-Demodulator

 Bild 3: XMC4500-Mikrocontroller von Infineon: Cortex-M4-basiert mit FPU und DSP-Zusatz als CPU-Kern; DS-Demodulator inklusive
Bild 3: XMC4500-Mikrocontroller von Infineon: Cortex-M4-basiert mit FPU und DSP-Zusatz als CPU-Kern; DS-Demodulator inklusive

Auch Infineon setzt bei der Baureihe XMC4500 auf den ARM Cortex-M4 mit FPU und DSP-Zusatz als CPU-Kern. Besonderheit des XMC4500 ist, dass bei ihm kein vollständiger DS-Wandler (Direct Stream, hochauflösende Audiosignalspeicerung) implementiert ist, sondern nur der Demodulatorteil (DSD, Direct Stream Digital). Dieser befindet sich als Peripherie gleich in vierfacher Ausfertigung auf dem Mikrocontroller.

Ein DS-Demodulator besteht aus hintereinandergeschalteten Tiefpassfiltern, kombiniert mit Unterabtastung zur Reduktion der Datenrate. Beim XMC4500 können mittels Software-Einstellungen bis zu drei dieser si-Filter (auch als SINC-Filter oder Küpfermüller Tiefpass bezeichnet, idealer Tiefpass) kaskadiert werden. Auch die Unterabtastrate kann über ein „Special-Function-Register“ konfiguriert werden. Am Ende stellt jeder DSD ein 16 Bit breites Ergebnis zur Verfügung.

Die DS-Modulatorteile müssen in externen Bauelementen lokalisiert sein. So bieten sie mehr mit weniger, denn diese clevere Anordnung eröffnet einige Vorteile: Erster Vorteil ist die einfache galvanische Trennung zwischen Modulator und Demodulator/Mikrocontroller, da pro Kanal nur die zwei digitalen Signalleitungen Takt und Bitstrom isoliert werden müssen. Zweitens wird die Angriffsfläche für Störungen auf dem Übertragungsweg vom Sensor zum Mikrocontroller klein gehalten. Denn die Digitalisierung findet bereits im externen Modulatorteil und damit nah am Messort statt.

Mit diesem Lösungsansatz lassen sich Netzströme als Spannungsabfall über Strommesswiderstände (Shunts) ermitteln. Besonders in der elektrischen Antriebstechnik wird dieses Prinzip genutzt. Aber auch bei Verbrauchsmessgeräten führt das zum dritten Vorteil, der Manipulationssicherheit. Denn die Strommessung über Shunts ist unempfindlich gegen Manipulationsversuche mit starken Magnetfeldern von außen. Leistungsendstufen mit integrierten DS-Modulatoren sind z.B. Infineons 3-Phasen IGBT-Brücken der Baureihe MIPAQ-sense. Zielapplikationen der XMC4500-Serie sind Inverter, Schaltnetzteile, Sensoren und Industriesteuerungen.

Microchip PIC18F87J72 für Bediensysteme und Anzeigen

 Bild 4: PIC18F87J72 von Microchip mit 2-Kanal-AFE aus PGAs und Delta-Sigma-Wandlern mit synchronisierter Abtastung bei 24 Bit Auflösung
Bild 4: PIC18F87J72 von Microchip mit 2-Kanal-AFE aus PGAs und Delta-Sigma-Wandlern mit synchronisierter Abtastung bei 24 Bit Auflösung

Hohe Integration zeichnet dieses System-in-a-Package von Microchip aus. Im Gehäuse befinden sich ein 8-Bit-Mikrocontroller aus der PIC18-Reihe und ein Analoges Front End (AFE) ähnlich dem MCP3901. Das AFE ist zweikanalig, bestehend aus PGAs, zwei Delta-Sigma-Wandlern mit synchronisierter Abtastung bei 24 Bit Auflösung und einstellbarer Phasenkorrektur. Die interne Referenzspannungsquelle weist eine Temperaturdrift von 12 ppm/°C auf. Mikrocontroller und AFE kommunizieren über eine SPI-Schnittstelle.

Durch Verwendung der Charge Time Measurement Unit (CTMU) als kapazitiven Touchcontroller und dem LCD-Treiber für bis zu 33×4 Segmente auf dem Mikrocontroller deckt dieser mit einem Low-Cost-Ansatz zusätzlich noch die Funktionen Bedienen und Anzeigen ab. Eine Uhr mit Kalender, A/D-Wandler mit 12 Bit Auflösung nach dem SAR-Prinzip und serielle Schnittstellen sind ebenfalls verfügbar.

Durch die hohe Integration profitiert der Entwickler von einem kompakten Design mit kurzer Stückliste. Das spart Platinenfläche und hält die Kosten für Lager und Bestückung gering. Der PIC18F87J72 wird im TQFP80-Gehäuse mit den Speichervarianten 64 oder 128 KByte Flash ausgeliefert. Parametrierdaten können per Self-Write im Programmspeicher hinterlegt werden. Microchip sieht den PIC18F87J72 in Applikationen wie einphasige Energiezähler, Leistungsmesser, tragbare Messinstrumente und medizinische Diagnosegeräte.

Der Autor: Ralf Hickl arbeitet bei Rutronik Elektronische Bauelemente.

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