I chip della Analog Devices serie ADuC7000 rappresentano un’ottima scelta per lo sviluppo di sistemi embedded mixed-signal. Dotati di un core ARM7®TDMI 32-bit RISC sono in grado di raggiungere velocità di campionamento fino a 1MSPS. La famiglia dei Microconverter  della Analog Devices unisce al microcontrollore ed alla flash embedded, periferiche analogiche di elevata precisione, come i 12 ADC, i DAC, un riferimento di tensione a bandgap ed un sensore di temperatura. Essi si suddividono in due principali categorie, di cui una per applicazioni di basso e medio livello, l’altra destinata ad applicazioni professionali in cui si richiede maggiore velocità e di memoria.

Introduzione

La serie ADuC7000 e il core ARM7®TDMI

La prima delle due categorie è basata su core 8051 ed è indicata con la sigla ADuC8xx [1], mentre la seconda, dotata di un core ARM7®TDMI 32-bit RISC, è conosciuta come serie ADuC7000. La Tabella 1 riassume le caratteristiche più importanti  di tutti i modelli di quest’ultima famiglia.

Tabella 1. Modelli ADuC della serie 7000

Il core ARM7 [2] utilizza un singolo bus a 32-bit per dati e programma. La lunghezza dei dati può essere 8, 16 o 32bit, mentre quella di una instruction word deve essere necessariamente  a 32bit.  L’architettura ARM7®TDMI implementata sulla serie ADuC7000 è un  versione modificata  rispetto  al classico core ARM7. Essa presenta, in particolare, quattro caratteristiche addizionali:

1. T: Supporto per un set di istruzioni a 16bit (Thumb); questa caratteristica consente di utilizzare istruzioni a 16bit, disponendo quindi di una maggiore densità di codice e velocità di esecuzione delle operazioni.
2. D: Supporto per il Debug;
3. M: Supporto per le Moltiplicazioni tra long; sono state introdotte 4 operazioni extra che consentono di eseguire moltiplicazioni 32bit per 32bit, con il risultato memorizzato in un registro a 64bit; è possibile anche effettuare delle operazioni di tipo MAC (Multiply  and ACcumulate).
4. I: Include il  modulo   embeddedICE   (In-Circuit Emulation) per il supporto del debugging embedded; esistono dei registri per breakpoint e watchpoint controllabili mediante interfaccia JTAG.

L’architettura ARM7 supporta 5 tipi di eccezioni:

1. Interrupt normale (IRQ): è una sorgente di interruzione a priorità  bassa; possono essere sia interni che esterni.
2. Fast Interrupt (FIQ): è utilizzato per gestire trasferimenti di dati o canali di comunicazione a bassa latenza. Ovviamente un FIQ hanno la possibilità di interrompere un IRQ.
3. Memory abort.
4. Tentativo di esecuzione di una istruzione non
5. Istruzione di interruzione software (SWI): può servire per effettuare un chiamata a sistema operativo.

Il core ARM7 dispone in totale di 37 registri di cui 31 general-purpouse e 6 di stato. La Figura 1 riporta lo schema a blocchi  un  tipico  processore della seria ADuC7000 ed il relativo pinout.

Figura 1. Schema a blocchi di ADuC70xx

Mentre in Figura 2 è riportata un dettaglio  del package e le relative dimensioni.

Figura 2. Package e dimensioni di ADuC70xx (dimensioni in mm)

Come si nota l’area occupata (appena 168mm2)  è davvero ridotta,  grazie anche all’uso di un contenitore di tipo LQFP. Dopo una breve e doverosa presentazione di questi chip, si passerà ad analizzare in dettaglio le loro caratteristiche di punta: le periferiche analogiche. Ci si soffermerà soprattutto  sui convertitori analogico/digitale (ADC), con uno sguardo anche ai DAC ed al comparatore. Infine, sarà presentato un esempio di programmazione in C in cui si effettua la conversione digitale di un segnale, inviato successivamente alla porta seriale.

LA SEZIONE ANALOGICO/DIGITALE (ADC)

Caratteristiche

Il convertitore analogico/digitale incorpora un ADC SAR multicanale ad alta velocità. Esso può operare con tensioni da 2.7V a 3.6V. La velocità massima di conversione è pari a 1MSPS (Milioni  di campioni al secondo) se la sorgente di clock è 41.78MHz. L’intero blocco, oltre che dall’ADC, è costituito da un multiplexer,  da un T/H differenziale e un riferimento di tensione interno. Il converter è basato sulla tecnica SAR (ad approssimazioni successive) e utilizza due DAC per il percorso di retroazione. La risoluzione nominale è 12bit. Il convertitore è in grado di adattarsi al tipo di segnale proveniente dall’ingresso. Infatti, dispone di 3 modalità operative, impostabili via software tramite i registri interni. Tali modalità sono di seguito elencate e descritte:

1. Modalità Differenziale, per segnali piccoli e bilanciati.
2. Modalità single-ended, per segnali sbilanciati.
3. Modalità pseudo-differenziale, per  qualunque segnale sbilanciato in cui la reiezione del modo comune è un parametro critico.

Il convertitore accetta un segnale in ingresso compreso tra 0V e VREF   quando opera nelle modalità 2 e In quella differenziale, il segnale di ingresso deve essere bilanciato intorno al modo comune (VCM), con una escursione massima pari a 2VREF   (la figura 3 chiarisce il concetto). Oltre, al già citato riferimento interno (2.5V), è possibile utilizzarne uno esterno.

Figura 3. Segnali di ingresso in modalità differenziale

La conversione può  essere  avviata sia in  modalità continua che singola. Come segnale di trigger  per l’inizio della conversione può essere utilizzato il pin /CONVSTART, l’output  generato dal PLA, l’overflow del Timer0 o del Timer1. Oltre ai segnali analogici, esiste un altro ingresso che può essere inviato al MUX: il sensore di temperatura interno. Esso può essere utilizzato per misurare la temperatura del die, con una precisione garantita di ±3°C.

Funzione di trasferimento

Nella modalità single-ended e pseudo-differenziale, il range di ingresso è 0V-VREF. La codifica è binaria senza segno. La minima risoluzione (1 LSB) è ottenuta nel modo seguente:

1 LSB = FS/2¹² = 2.5V/4096 = 0.61mV = 610µV

Il calcolo è valido nel caso in cui si decida di utilizzare il riferimento di tensione interno. La caratteristica di trasferimento ingresso/uscita ideale è riportata in figura 4.

Figura 4. Caratteristica ingresso/uscita single-ended

Ovviamente, questa caratteristica è ideale poiché non tiene conto degli errori introdotti da un ADC (errore di linearità, di offset, di guadagno, differenziale, etc.). Nel caso differenziale il segnale è applicato ai pin VIN+ e VIN. La massima ampiezza del segnale differenziale è compresa tra –VREF e +VREF. (quindi 2VREF). La tensione di modo comune, (VIN+ + VIN)/2, deve essere impostata esternamente.  La codifica di uscita è in complemento a 2. La minima risoluzione è data da:

1 LSB = 2VREF /4096= 2·2.5V/4096 = 1.22mV = =1220µV

Anche in questo caso il calcolo è stato eseguito considerando il riferimento  a 2.5V. La caratteristica di trasferimento ingresso/uscita ideale è riportata in figura 5.

Figura 5. Caratteristica ingresso/uscita differenziale

Condizioni di funzionamento

Il micro inserisce il risultato della conversione all’interno del registro ADCDAT, secondo il formato riportato in figura 6.

Figura 6. Formato della conversione

I primi quattro sono i bit del segno. Il risultato è inserito a partire dal bit 16 fino al bit 27. Il consumo di corrente, nella modalità standby (ossia ADC acceso ma non in esecuzione), è tipicamente 640µA. A tale valore bisogna aggiungere altri 140µA se si sceglie di utilizzare il riferimento interno. Infine, durante  la  conversione  bisogna  considerare  altri 0.3µA · fSAMPLING(kHz). Il grafico del consumo di corrente dell’ADC in funzione della velocità di conversione è riportato in figura 7.

Figura 7. Consumo di corrente (mA)

La figura 8 riporta l’andamento nel tempo dei diversi segnali che intervengono durante una conversione, quando è usato il segnale di trigger esterno.

Figura 8. ADC Timing

Il pin ADCBUSY indica, se il suo valore logico è 1, che la conversione è in corso. Il registro ADCSTA permette invece di capire quando il risultato della conversione è disponibile per essere letto. Contemporaneamente, scatta l’interrupt  dell’ADC.

Registri di configurazione

I registri che servono per configurare e controllare la sezione A/D sono 8. Essi sono di seguito elencati e descritti:

1. ADCCON (tabella 2), è il registro che permette al programmatore di abilitare l’ADC, selezionare la modalità operativa ed il tipo di conversione.
2. ADCCP (tabella 3), permette di selezionare il canale positivo dell’ADC.
3. ADCCN (tabella 4),  permette  di  selezionare il canale negativo dell’ADC.
4. ADCSTA (tabella 5), è il registro che indica quando il risultato di una conversione è pronto. Esso contiene solo un bit, ADCReady. Questo bit è portato ad 1 dal micro alla fine di ogni ciclo di conversione. Inoltre, esso ritorna a 0 automaticamente, quando viene letto il valore in ADCDAT. Quando è in esecuzione una conversione, lo stato dell’ADC può essere letto esternamente mediante il pin ADCBUSY (P0.5 delle linee general-purpose). Tale funzione deve, però, essere abilitata dal registro ADCCON.
5. ADCDAT (tabella 6), contiene il risultato della conversione, secondo lo schema di figura 6.
6. ADCRST (tabella 7), scrivendo qualunque valore in questo registro si effettua il reset di tutti i registri relativi all’ADC, riportandoli al loro valore di default.
7. ADCGN (tabella 8), serve per effettuare la calibrazione del guadagno
8. ADCOF (tabella 9), serve per effettuare la calibrazione dell’offset.

Tabella 2. Registro ADCCON

Tabella 3. Registro ADCCP

Tabella 4. Registro ADCCN

Tabella 5. Registro ADCSTA

Tabella 6. Registro ADCDAT

Tabella 7. Registro ADCRST

Tabella 8. Registro ADCGN

Tabella 9. Registro ADCOF

Logica interna dell’ADC

Il sistema di conversione è dotato, come già ricordato, di una architettura ad approssimazioni successive (SAR), con uno stadio a campionamento di carica nel percorso di retroazione. Questa struttura può operare in tre differenti modi: differenziale, pseudo-differenziale e single-eneded. Nella figura  9  è mostrato  lo  schema semplificato della fase di acquisizione per una configurazione differenziale.

Figura 9. Ingresso differenziale, fase di acquisizione

L’interruttore SW3 è chiuso, mentre SW1 e SW2 sono in posizione A. Il comparatore è tenuto in uno stato bilanciato ed il valore del campione da convertire viene acquisito. La figura 10 mostra invece lo schema durante la fase di conversione.

Figura 10. Ingresso differenziale, fase di conversione

L’interruttore  SW3 è aperto, mentre SW1 e SW2 sono portati in posizione B.  In  tale stato gli ingressi del comparatore diventano sbilanciati. Il codice di uscita  è  pronto quando  i  due DAC riportano  gli ingressi del comparatore in uno stato bilanciato. Nella configurazione differenziale è importate che le impedenze delle sorgenti dei due ingressi (VIN+ e VIN) siano tra loro uguali, altrimenti il differente tempo di assestamento può comportare errori di conversione. Nella modalità pseudo-differenziale, si utilizzano sempre i pin VIN+ e VIN- come nella configurazione differenziale; lo switch SW2, però, può commutare su Channel- oppure su VREF. Il segnale di ingresso su VIN+ può variare tra VIN- e (VREF + VIN). Il segnale su VINREF + VIN-) non ecceda AVDD. La figura 11 chiarisce quanto sopra esposto.

Figura 11. Ingresso pseudo-differenziale

Infine, nella configurazione single-ended, SW2 è connesso internamente a massa (figura 12).

Figura 12. Ingresso single-ended

Il pin VIN- può essere lasciato floating. Il segnale di ingresso su VIN+ deve avere una dinamica compresa tra 0V e VREF. Circuito equivalente di ingresso La figura 13 riporta lo schema del circuito equivalente di ingresso dell’ADC.

Figura 13. Circuito equivalente di ingresso

È importante tenere conto di tale schema per prevedere ed eventualmente eliminare effetti indesiderati. I due diodi garantiscono una protezione da scariche elettrostatiche (ESD), entrando in conduzione se il segnale di ingresso in modulo  supera di  0.6V l’alimentazione.  È  importante sottolineare che una tale condizione è non distruttiva solo se la corrente nei diodi non supera i 10mA. Il condensatore C1 ha valore pari a 4pF ed è dovuto alla capacita esibita dal pin di ingresso. Il resistore R1, il cui valore è di 100o,  è imputabile  alla resistenza in conduzione dello switch elettronico. Infine, il condensatore C2 è quello necessario per il campionamento (16pF). Per applicazione in AC è consigliabile rimuovere le componenti ad alta frequenza dal segnale analogico, attraverso un  filtro  RC di  tipo  passa-basso. Inoltre, in tutte  le applicazioni in cui il THD (Total Harmonic Distortion) e il SNR (Signal-to-Noise  Ratio) sono parametri critici, l’impedenza di uscita della sorgente deve essere bassa. Se ciò non è vero allora bisogna utilizzare un buffer per ottenere una impedenza di ingresso teoricamente infinita (figura 14).

Figura 14. Circuito per l’adattamento dell’impedenza di ingresso

Riferimento di tensione bandgap

I microcontrollori  della serie 7000 sono dotati di un riferimento di tensione a 2.5V che può essere usato sia per l’ADC che per il DAC. Inoltre, tale valore è reso disponibile sul pin VREF. Quando si decide di utilizzare il riferimento interno per la conversione, allora è necessario inserire un condensatore da 0.47mF tra il pin VREF  e massa. Se invece si vuole sfruttare il riferimento di tensione per usi esterni, allora bisogna interporre un buffer poiché questo pin ha una ridotta corrente di uscita. Il riferimento può essere comandato da software (acceso e spento), tramite il registro REFCON (vedere tabella 10).

Tabella 10. Registro REFCON

Esempio di programmazione

Il codice riportato nel listato 1 è un esempio di come effettuare la configurazione dell’ADC.

#include <ADuC7026.h>
void senddata(short);
void ADCpoweron(int);
char hex2ascii(char);
int main (void) {

//Configurazione ADC
ADCpoweron(20000); // Accensione ADC
ADCCP = 0x00; // Selezione del canale 0
REFCON = 0x01; // Connessione riferimento interno al pin Vref
GP0CON = 0x10100000; // Abilitazione uscita ECL su P0.7 e ADCbusy su P0.5
// Configurazione pin di TX e RX su P1.0 e P1.1
GP1CON = 0x011;
// Impostazione UART
COMCON0 = 0x80;
COMDIV0 = 0x88;
COMDIV1 = 0x00;
COMCON0 = 0x07;

//Conversione ed invio ad UART

while(1){
ADCCON = 0x7E3; // ADC config: fADC/2, acq. time = 16 clocks => ADC Speed = 1MSPS
while (!ADCSTA){} // Aspetta fine conversione
senddata (ADCDAT >> 16);
GP4DAT ^= 0x00040000; // Complementa P4.2
}
}
void senddata(short to_send){
while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020))){}
COMTX = 0x0A; // output LF
while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020))){}
COMTX = 0x0D; // output CR
while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020))){}
COMTX = hex2ascii ((to_send >> 8) & 0x0F);
while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020))){}
COMTX = hex2ascii ((to_send >> 4) & 0x0F);
while(!(0x020==(COMSTA0 & 0x020))){}
COMTX = hex2ascii (to_send & 0x0F);
}
char hex2ascii(char toconv){
if (toconv<0x0A){
toconv += 0x30;
}
else{
toconv += 0x37;
}
return (toconv);
}
void ADCpoweron(int time){
ADCCON = 0x20; // Accendi ADC
while (time >=0)
time--;
}

Listato 1

Lo stesso programma, dopo aver effettuato la conversione, inviata il valore digitale prelevato da ADCDAT ad una periferica collegata tramite interfaccia seriale (UART). Il listato 1 può essere considerato come un modello per iniziare a muovere i primi passi nella programmazione di questi micro. Anche se il codice si riferisce all’ADuC7026, esso è valido, con le dovute variazioni, anche per gli altri chip della stessa serie.

LA SEZIONE DIGITALE/ANALOGICO (DAC)

Caratteristiche

Gli ADuC7000 sono dotati, in base al modello, di 2, 3 o 4 convertitori digitali/analogici  a 12bit (tabella 1). Ciascun DAC ha una tensione di  uscita rail-to-rail capace di  pilotare  un  carico 5kΩ/100pF.  Il  range della  tensione  di  uscita  può  essere impostato secondo tre differenti opzioni:

1. Da 0V a VREF.
2. Da 0V a DACREF.
3. Da 0V a AVDD.

Ogni DAC è configurabile e controllabile indipendentemente mediante un registro di controllo (DACxCON) ed uno di dati (DACxDAT), secondo quanto riportato in Tabella 11 ed in Tabella 12.

Tabella 11. Registro DACxCON

Tabella 12. Registro DACxDAT

La struttura del DAC, come illustrato in figura 15, è costituita da una rete di resistenze, seguita da un buffer di uscita.

Figura 15. Struttura interna del DAC

Quando si prende in esame un convertitore digitale/analogico è importante valutare la sua caratteristica di uscita. La bontà di un DAC è tanto maggiore quanto più lineare è tale funzione. Se si osserva la caratteristica dei DAC della serie 7000 (figura 16), si può osservare una  degradazione della linearità solo in prossimità dei valori più bassi e più alti.

Figura 16. Caratteristica ingresso/uscita del DAC (0V - AVDD)

Tale comportamento è normale per un DAC, in quanto è dovuto alla saturazione dell’amplificatore di uscita. La caratteristica rappresentata in Figura 16 è riferita ad una dinamica tra 0V e AVDD (quella massima). Negli altri due casi, la situazione migliora  verso l’alto  poiché l’amplificatore non lavora ai limiti della sua alimentazione. Comunque, il comportamento  rimane simile per i valori più bassi. Tutti i riferimenti  riportati nel datasheet sono per un carico di 5kΩ. Se si vuole pilotare un carico superiore, allora la degradazione di linearità diventa maggiore, limitando significativamente la dinamica di uscita.

IL COMPARATORE

Caratteristiche

Tutti gli ADuC7000 integrano un compara- tore di tensione. L’ingresso positivo è multiplexato con il pin ADC2, mentre per quello negativo ci sono due opzioni: ADC3 oppure DAC0. Il comparatore è molto  versatile in quanto è possibile configurare la sua uscita per generare un interrupt, portarlo direttamente  all’esterno, usarlo per avviare una conversione o ancora portarlo alla logica programmabile (PLA). Esso è controllato mediante il registro CMPCON (Tabella 13), tramite il quale si può decidere l’offset di ingresso e l’isteresi come nel classico trigger di Schmitt.

Tabella 13. Registro CMPCON

Riferimenti bibliografici:

[1] Sito Analog Device, www.analog.com
[2] “ARM Architecture Reference Manual”
www.altera.com/literature/
third-party/ddi0100e_arm_arm.pdf

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