Mit der Schaltung in Bild 1 lassen sich bis zu zwei digitale MEMS-Mikrofone an einen digitalen Signalprozessor (DSP) über eine einzige Datenleitung anschließen. Der in dieser Applikation verwendete Baustein ADMP441 besteht aus einem MEMS-Mikrofonelement und einem I²S-Ausgang.

Damit lassen sich Stereomikrofone in einem Audiosystem ohne Codec zwischen den Mikrofonen und dem Prozessor anschließen. MEMS-Mikrofone von Analog Devices haben ein hohes SNR (Signal-to-Noise Ratio, Signal-Rausch-Verhältnis) und einen flachen Empfindlichkeitsverlauf über ein breites Frequenzband. Sie eignen sich damit für leistungsstarke Anwendungen mit hoher Audioqualität.

In diesem Beispiel können bis zu zwei Mikrofone des Typs ADMP441 an eine einzige Datenleitung am Blackfin-Prozessor ADSP-BF527 angeschlossen werden. Der ADSP-BF527 kann bis zu vier seriellen Dateneingängen handhaben. Es lassen sich also bis zu acht Mikrofone an einen einzigen DSP anschließen.

Schaltungsbeschreibung

Die Mikrofone sind an die SPORT-Dateneingangspins des ADSP-BF527 angeschlossen. Die einzigen erforderlichen passiven Komponenten in dieser Schaltung sind ein 0,1μF-Entstörkondensator für jeden ADMP441 und ein großer Pull-Down-Widerstand (100 kΩ) an der SD-Leitung zum Entladen, während die Ausgangstreiber des ADMP441 im „Tristate“-Zustand sind. Der Entstörkondensator sollte sich so nahe wie möglich am VDD Pin (Pin 7) des ADMP441 befinden.

Die Mikrofone versorgt man mit derselben Spannungsquelle wie den ADSP-BF527. Obwohl der ADMP441 mit einer VDD zwischen 1,8 und 3,3 V arbeitet, beträgt VDDEXT am ADSP-BF527 mindestens 2,25 V.

 

Es gibt drei Signale, die zwischen ADMP441 und ADSP-BF527 für den I²S-Datenstrom verbunden werden müssen: „Frame Clock“, „Bit Clock“ und “Data“. Der ADSP-BF527 ist der Systemtakt-Master und erzeugt die zwei I²S-Taktsignale.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt Mikrofone, die an einen Dateneingang am SPORT0 des Blackfin angeschlossen sind. Jeder der beiden SPORTs des ADSP-BF527 hat zwei Sätze Datenempfangspins, die bis zu acht I²S-Audio-In Kanäle ermöglichen. Tabelle 1 zeigt die Verbindungen, wenn der serielle SPORT0 des ADSP-BF527 verwendet wird.

 

Der L/R-Pin an den zwei ADMP441s wird auf entgegengesetzte Pegel gesetzt – einen auf VDD und den anderen auf GND. Liegt „L/R“ an „GND“, gibt das Mikrofon seine Daten auf dem linken Kanal des I²S-Streams aus. Anderenfalls (an Vdd) gibt das Mikrofon das Signal auf dem rechten Kanal aus.

Der ADMP441 wird aktiviert, indem man den CHIPEN-Pin auf „High“-Potenzial bringt. Dieser Pin kann entweder direkt an VDD des Mikrofons gelegt werden. Dann ist das Mikrofon stets aktiviert, während es eingeschaltet ist. Alternativ kann er mit einem GPIO am ADSP-BF527 verbunden werden. Auf diese Weise aktiviert oder deaktiviert der Blackfin das Mikrofon.

Der ADMP441 hat eine Empfindlichkeit von −26 dBFS. In den meisten Anwendungen verlangen die Mikrofonausgänge eine Verstärkung im Signalpfad des Blackfin. Falls eine Verstärkung zum Signal im DSP hinzugefügt wird, muss der Ausgang des Prozessors weiterhin auf 0 dBFS begrenzt werden.

ADSP-BF527 Register-Einstellungen

Die SPORT-Register-Einstellungen, um den ADSP-BF527 in I²S-Master-Mode zu bringen, werden im Folgenden beschrieben. Weitere Details zu diesen Register-Einstellungen findet man in der ADSP-BF52x Blackfin Processor Hardware Reference.

Man konfiguriere SPORT_RCR1, das primäre Konfigurationsregister für den Empfang, mit den folgenden nicht voreingestellten Einstellungen:

• RCKFE: Treibt die interne Frame Synchronisation an der fallenden Flanke von RSCLK
• RFSR: RFS für jedes Datenwort verlangen
• IRFS: Internes RFS verwenden
• IRSCLK: Internen Empfangstakt auswählen

Man konfiguriere SPORT_RCR2, das sekundäre Konfigurationsregister für den Empfang, mit den folgenden nicht voreingestellten Einstellungen:

• RSFSE: Empfang von Stereo Frame Sync aktiviert
• SLEN: 32 Bit Wortlänge.

SPORT_RCLKDIV (serieller SPORT Taktfrequenzteiler) setzt man auf 17 (0x0011) und SPORT_RFSDIV auf 31 (0x001F). Dies legt die richtigen Taktfrequenzen für einen Frame-Takt von 48 kHz und einen Bit-Takt von 3,072 MHz mit einem Systemtakt des Blackfins von 120 MHz (SCLK) fest.

Die beschriebenen Register-Einstellungen können für SPORT0 oder SPORT1 am ADSP-BF527 verwendet werden.

Übliche Schaltungsvarianten

DSP

Diese Schaltung kann außer mit dem ADSP-BF527 auch mit anderen Mitgliedern aus der Blackfin-Familie aufgebaut werden. Die jeweiligen Datenblätter enthalten Einzelheiten zu den Unterschieden in der Zahl von SPORT-Kanälen und anderen Varianten.

Mikrofone

Indem man eines der Mikrofone entfernt, kann eine Mono-Mikrofonschaltung mit einem einzigen ADMP441 realisiert werden. Die anderen Verbindungen in dieser Mono-Konfiguration bleiben gleich.

Zusätzliche Mikrofone können auf die gleiche Weise wie das erste Stereopaar an die SPORT-Eingänge des ADSP-BF527 angeschlossen werden.

Schaltungsevaluierung und Test

Die einfachste Möglichkeit zur Evaluierung eines Systems mit dem ADMP441 MEMS-Mikrofon, das über I²S an den ADSP-BF527 Blackfin-DSP angeschlossen ist, besteht im Einsatz des EVAL-ADMP441Z Evaluation Boards und dem Blackfin SDP. Diese Boards sind aufeinander abgestimmt und enthalten Code als Basis der digitalen Audioverbindung. Beim Anschluss an den USB-Port eines PCs wird das System als Standard-USB-Audio-Schnittstelle identifiziert und ermöglicht das Streaming von Stereo-Audio von den Mikrofonen zum PC.

Erforderliche Ausrüstung

Die zwei erforderlichen Evaluation-Kits sind: VAL-ADMP441Z mit einem EVAL-ADMP441Z-FLEX Board und einer Schnittstellenkarte und EVAL-SDP-CB1Z mit SDP-B Controller-Board.

Für den richtigen Betrieb des SDP-Boards muss der PC folgende Minimalkonfiguration aufweisen: Windows XP Service Pack 2, Windows Vista (32 Bit) oder Windows 7 (32 Bit) sowie USB 2.0-Port.

Ein zweites EVAL-ADMP441Z-FLEX kann an das Interface-Board angeschlossen werden, um Stereo-Audio-Signale zu erfassen.

Schneller Einstieg

Das Mikrofon FLEX PCBs ist mit ZIF-Steckern, J1 und J2, an das Schnittstellenboard angeschlossen. Das EVAL-ADMP441Z ist mit einem 120-poligen Stecker, J3, an das SDP-B angeschlossen.

Die Dokumentation für das SDP-B Controller-Board und EVAL-ADMP441Z beschreibt das System-Setup und enthält das komplette Blockschaltbild des Boards. Die einzigen erforderlichen externen Verbindungen sind die USB-Verbindung zum PC und System-Versorgung zum ADMP441-Evaluation-Board.

Die komplette Dokumentation für das Evaluation-Board EVAL-ADMP441Z findet man im User Guide UG-362. Die komplette Dokumentation für das SDP-B Controller-Board findet man im SDP-B User Guide UG-277. // * * Jerad Lewis ist Applikationsingenieur MEMS-Mikrophone bei Analog Devices in Norwood, USA.

Signalpegel in Systemen zur industriellen Prozesssteuerung lassen sich weitgehend in eine der folgenden Kategorien einteilen: Ströme (4 bis 20 mA), Spannungen (0 bis 5 V, 0 bis 10 V, ±5 V und ±10 V) oder kleine Signale von Sensoren wie  Thermoelementen oder Wägezellen. Große Gleichtaktspannungshübe sind ebenfalls typisch, speziell für differentielle kleine Signale. Daher ist ein gutes Verhältnis der Gleichtaktunterdrückungen (CMRR) eine wichtige Spezifikation im analogen Signalverarbeitungssystem.

Die analoge Eingangsstufe (AFE) in Bild 1 ist bei der Verarbeitung dieser Industriesignalpegel auf hohe Genauigkeit und hohe

Gleichtaktunterdrückung optimiert. Die Schaltung verschiebt und dämpft die Signale, damit sie zu den Eingangsbereichen der meisten modernen SAR-A/D-Wandler mit unipolarer Versorgungsspannung, wie z.B. der 250 kSample/s schnelle 16 Bit A/D-Wandler AD7685, kompatibel sind.

Bei einem Eingangssignal von 18 Vss erzielt die Schaltung eine Gleichtaktunterdrückung (CMR) von rund 105 dB bei 100 Hz und 80 dB bei 5 kHz. Hohe Genauigkeit, hohe Eingangsimpedanz und eine hohe Gleichtaktunterdrückung werden vom Instrumentenverstärker AD8226 bereitgestellt. Für Anwendungen mit hoher Genauigkeit ist eine hohe Eingangsimpedanz erforderlich, um Systemverstärkungsfehler zu minimieren und zugleich eine gute Gleichtaktunterdrückung zu erreichen. Die Verstärkung des AD8226 ist über Widerstände von 1 bis 1000 programmierbar.

Den gesamten Artikel „AFE mit hoher Gleichtaktunterdrückung für die Prozesssteuerung“ finden Sie auf der Internetseite der Elektronikpraxis.

In diesem Schaltungstipp stellen wir ein vierkanaliges, simultan abtastendes Datenerfassungssystem mit großem Dynamikbereich und hoher Übersprechdämpfung zwischen den Kanälen vor. Das System kann mit flexiblen Abtastraten arbeiten, verfügt über einfache Schnittstellen für die Anbindung an DSP oder FPGA und benötigt ein Minimum an externen Bauteilen.

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um ein vierkanaliges, simultan abtastendes System mit hohem Dynamikbereich, wenig Übersprechen und flexiblen Abtastraten. Das System lässt sich mit minimalem Aufwand an Bauteilen realisieren und verfügt über einfache Schnittstellen für den Anschluss von DSP oder FPGA.

Zum Einsatz kommen vier 24 Bit Sigma-Delta-A/D-Wandler des Typs AD7765 in einer Daisy-Chain-Konfiguration, um die Verbindungen zum digitalen Host zu minimieren. Der komplett integrierte, differenzielle Ein/Ausgangsverstärker der AD7765-Modelle sowie die Referenzpuffer reduzieren die Anzahl externer Bauteile beachtlich.

Die Verwendung des Sigma-Delta-Wandlers in einer simultan abtastenden Konfiguration bietet folgende Vorteile: Bessere Kanal/

Kanal-Übersprechdämpfung als bei Lösungen mit mehreren 24 Bit A/D-Wandlern auf einem Chip. Der Dynamikbereich beträgt

112 dB bei Abtastraten von 156 kSample/s.

Den gesamten Artikel „24 Bit Vierkanal-Datenerfassungssystem mit 156 kSample/s“ können Sie hier als PDF herunterladen.

Im analogen Mikrocontroller sind zwei 24-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler, zwei programmierbare Stromquellen, ein 14-Bit-DAC und eine 1,2-V-Referenz integriert. Ebenfalls  vorhanden  sind ein ARM7-Core mit 32 KByte Flash-Speicher, 4 KByte SRAM sowie verschiedene Peripheriefunktionen wie z.B. UART, Timer, SPI und I2C-Schnittstellen.

Die in Bild 1 dargestellte Anwendung kombiniert den ADuC7060/ADuC7061 mit einem Thermoelement und einem PT100-Messfühler, der für die Kaltstellen-Kompensation verwendet wird. Als Abtastrate wird 100 Hz gewählt. Stellt man den eingangsseitigen PGA auf eine Verstärkung von 32 ein, erreicht der analoge Mikrocontroller eine rauschfreie Auflösung von mehr als 18 Bit.

Den Gesamten Artikel „Temperaturüberwachung mit Kaltstellen-Kompensation via USB“ als PDF herunterladen.