Микроконтроллер 1886ВЕ6 для аналоговых систем

Компания ЗАО «ПКК Миландр» занимается разработкой отечественных микросхем для аппаратуры специального назначения, в том числе и нужд МО. В настоящее время разработано и освоено в серийном производстве большое количество различных компонентов, включенных в перечень МОП, среди которых можно отметить микроконтроллеры, схемы статической памяти, интерфейсные, радиочастотные и многие другие схемы.

Введение

Таблица 1. Характеристики микроконтроллеров серии 1886

Описание микроконтроллера

Микроконтроллер 1886ВЕ6 является развитием серии 1886 и предназначен для создания устройств с точной аналоговой подсистемой, таких как различные химические и газоаналитические датчики, схемы управления питанием, системы освещения, противопожарная сигнализация и другие.

Структурная схема микроконтроллера представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структура микроконтроллера 1886ВЕ6

Микроконтроллер построен на RISC-ядре серии 1886 и программно совместим с ядром PIC17 фирмы Microchip. В отличие от других микроконтроллеров серии в новой разработке особое внимание уделено аналоговой составляющей. В частности, были реализованы новые блоки 12-разрядного ЦАП и компаратора. А также переработана схема АЦП с целью повышения точности результата преобразования.

Помимо новых аналоговых блоков, микроконтроллер имеет стандартный набор интерфейсных и периферийных блоков. Увеличена разрядность универсальных таймеров, что позволило повысить разрядность ШИМ до 18 бит. Также в микроконтроллере реализована энергонезависимая память данных EERPOM объемом 256 байт. 1886ВЕ6 имеет механизм внутрисхемной отладки, что позволит отлаживать программы на микроконтроллере, установленном в аппаратуру.

В настоящее время фирма ЗАО «ПКК Миландр» выпустила экспериментальные образцы данной микросхемы. На фабрике было запущено 3 варианта кристаллов, отличающихся различными схемами реализации АЦП и ЦАП. И после получения образцов и их исследования были выбраны наиболее удачные схемотехнические решения.

Характеристики АЦП

Для проведения исследования напряжение аналогового питания ADCUcc и основного питания Ucc сделаем равным 4,096 В. (При этом значение единицы младшего разряда (EMР) будет равно 0,001 В, что позволит исключить погрешность, вносимую округлением.) Для сравнения исследуем один образец при напряжении аналогового питания ADCUcc и основного питания Ucc, равного 5,5 В. В соответствии с ОСТ110078.3-84 «Измерение параметров АЦП» на входной канал АЦП подается напряжение от 0 до 4,096 (5,5) В, с шагом 1/10 ЕМР. Последовательность действий для измерения будет следующая: установка напряжения на вход АЦП; выдача команды «старт преобразования»; ожидание преобразования; считывание результата преобразования.

Таким образом, для проведения исследования во всем диапазоне значений и расчета основных параметров АЦП, таких как интегральная нелинейность (ИНЛ), дифференциальная нелинейность (ДНЛ) и смещение нуля, потребуется выполнить 40 960 измерений. Параметры модуля будем анализировать по количеству результатов преобразования, выпавших на каждый разряд, то есть в идеальном случае каждое значение, кроме нулевого, выпадет 10 раз, а нулевое — 5 раз. Измерения во всем диапазоне выполняются при различных значениях температуры: –60, +25 и +125 °С.

Напомним основные параметры АЦП:

• Смещение нуля — значение Uвх, при котором выходной код АЦП равен нулю.
• ДНЛ характеризует разность между значением кванта преобразования hk и средним значением кванта преобразования h.
• ИНЛ характеризует отклонение реальной функции преобразования от идеальной.

При последовательном возрастании значений входного аналогового сигнала Uвх(t) от 0 до величины, соответствующей полной шкале АЦП Uпш, выходной цифровой сигнал D(t) образует ступенчатую кусочно-постоянную линию. Такую зависимость обычно называют характеристикой преобразования АЦП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой (рис. 2), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной — формой и расположением на плоскости координат.

Поскольку одновременное представление в печатном виде большого объема значений, полученных при измерении АЦП, не наглядно, то были выбраны три области (в начале, середине и конце шкалы), на которых возможно рассмотреть полученные значения параметров АЦП.

Рис. 2. Характеристика преобразования АЦП

На рис. 3–5 представлены начало, середина и окончание шкалы значений результата преобразования 12-разрядного модуля АЦП при напряжении питания 4,096 В. Как видно, в начале шкалы результаты преобразования модуля близки к идеальному, в середине шкалы появляется некоторый разброс результатов преобразования в пределах 1-й единицы младшего разряда (ЕМР) во всем диапазоне температур, а в конце этот разброс достигает трех ЕМР, в основном, при нагреве кристалла.

Рис. 3. Начало шкалы

Рис. 4. Середина шкалы

Рис. 5. Конец шкалы

Для наглядности рассмотрения отклонения реальных результатов преобразования от идеальных на рис. 6 представлена диаграмма значений ИНЛ, а на рис. 8 — диаграмма значений ДНЛ во всем диапазоне входных напряжений (от 0 до 4,096 В). Напомним, что в идеальном случае значение ИНЛ и ДНЛ всегда равно нулю. Для оценки характеристик модуля при напряжении питания 5,5 В на рис. 7 приведена диаграмма значений ИНЛ, а на рис. 9 — диаграмма значений ДНЛ во всем диапазоне входных напряжений (от 0 до 5,5 В). Диаграммы показывают, что значение ДНЛ уверенно держится в диапазоне температур и входных напряжений в пределах 0,8 ЕМР, а значение ИНЛ с ростом температуры увеличивается и достигает трех ЕМР при температуре +125 °С и напряжении питания 4,096 В.

Рис. 6. ИНЛ (напряжение питания 4,096 В)

При увеличении напряжения питания до 5,5 В незначительно увеличивается значение ДНЛ, но пропадает температурная зависимость ИЛН, на что необходимо обратить внимание при проектировании устройств, использующих результаты модуля АЦП.

Рис. 7. ИНЛ (напряжение питания 5,5 В)

Рис. 8. ДНЛ (напряжение питания 4,096 В)

Рис. 9. ДНЛ (напряжение питания 5,5 В)

Характеристики ЦАП

В контроллере стоит два 12-разрядных ЦАП, есть возможность использовать внутренний или внешний источник опорного напряжения. В исследуемой тестовой партии кристаллов — 3 варианта ЦАП, одинаковых со схемотехнической точки зрения, но разных в плане топологической реализации. Измерялось 3 образца 1-го варианта (n1_0, n1, n2), 3 образца 2-го варианта (n3_1, n3, n4), 2 образца 3-го варианта (n5, n6).

Для проведения исследования напряжение аналогового питания ADCUcc и основного питания Ucc сделаем равным 4,096 В (при этом значение EMР будет равно 0,001 В, это позволит исключить погрешность, вносимую округлением). В соответствии с ОСТ-110078.1-84 «Измерение параметров ЦАП» в регистр значения выходного напряжения ЦАП будут устанавливаться значения от 0 до 4095, с шагом 1/10 ЕМР. Последовательность действий для измерения следующая:

• установка напряжения на выходе ЦАП;
• выдача команды измерения напряжения;
• ожидание измерения.

Таким образом, для проведения исследования во всем диапазоне значений и расчета основных параметров ЦАП, таких как интегральная нелинейность (ИНЛ), дифференциальная нелинейность (ДНЛ) и значение единицы младшего разряда, потребуется выполнить 4096 измерений. Измерения проводились при внутреннем и внешнем смещении, при температуре –60, +25, +125 °С. Дополнительно делались измерения при резистивной нагрузке. Для разных условий измерений проводилось различное число измерений.

Для определения статических параметров снималась передаточная характеристика ЦАП. То есть при фиксированном опорном напряжении последовательно подавались все значения входных кодов и снималось выходное напряжение на выходе ЦАП. Полученные данные потом использовались для расчетов статических параметров. В качестве опорного напряжения во всех случаях использовалось напряжение 4,096 В. Тогда ЕМР составляет 1 мВ, то есть во всех дальнейших расчетах, если не указано иное, используется значение ЕМР = 1 мВ.

Пример начала передаточной характеристики — все 3 варианта (8 кристаллов) при одной температуре — приведен на рис. 10.

Рис. 10. Пример начала передаточной характеристики (все 3 варианта (8 кристаллов) при одной температуре)

По оси х значения кодов (реальное значение равно значению на оси — 1, то есть начальный код — нулевое значение, недостаток связан с особенностью отображения в MATLAB). Значение по оси y — в милливольтах. Красная кривая — это передаточная характеристика идеального ЦАП. Видно значительное смещение нуля и насыщение минимальных кодов. Для максимальных кодов насыщения замечено не было.

Расчет дифференциальной нелинейности (ДНЛ)

Расчет выполнялся по следующей формуле:

ДНЛ(i) = (x(i+1)–x(i))/ЕМР–1,

где x(i) — выход ЦАП для i-го входного кода.

График зависимости приведен на рис. 11.

Рис. 11. Пример зависимости дифференциальной нелинейности от входных кодов (по оси x входные коды, по оси y — ДНЛ в ЕМР)

На рис. 11 видны большие значения дифференциальной нелинейности (до –1 ЕМР) для начальных кодов. Это связано с насыщением передаточной характеристики. Если учитывать коды после 10-го, то максимальное значение ДНЛ не превышает ±0,07 ЕМР.

Расчет интегральной нелинейности (ИНЛ)

Расчет выполнялся по следующей формуле:

ИНЛ(i) = x(i)/ЕМР–i,

где x(i) — выход ЦАП для i-го входного кода.

Рис. 12. Пример зависимости интегральной нелинейности от входных кодов (по оси х входные коды, по оси у — ИНЛ в ЕМР): красный — идеальный ЦАП; два синих и голубой — вариант 1; малиновый, желтый, черный — вариант 2; два зеленых — вариант 3

Эта формула дает чистое отклонение (c учетом смещения нуля) для i-го кода в ЕМР. На рис. 12 виден скачок ИНЛ для начальных кодов и значительное смещение. Фактическое значение ИНЛ (без смещения) определялось как разница между максимальным и минимальным значением, деленная на два (максимальное и минимальное значение ИНЛ определялось без учета первых 10 и последних 10 кодов) (табл. 2).

Таблица 2. Сводная таблица значений ИНЛ для первого ЦАП при внутреннем и внешнем смещении, при различной температуре (значение ИНЛ приводится в ЕМР)

Для второго ЦАП получены аналогичные данные.

Альтернативный метод расчета ИНЛ (best fit method)

Рис. 13. Примеры зависимости ИНЛ по альтернативному методу (по оси х входные коды, по оси у — ИНЛ в ЕМР): красный — идеальный ЦАП; два синих и голубой — вариант 1; малиновый, желтый, черный — вариант 2; два зеленых — вариант 3

Таблица 3. Сводная таблица значений ИНЛ для первого ЦАП при внутреннем и внешнем смещении, при различной температуре (значение ИНЛ приводится в ЕМР)

Тогда формула для расчета ИНЛ примет вид:

Соответственно определяется новое значение ЕМР = [x(4096)–x(10)]/4096.

Расчет ошибки смещения (offset)

Ошибка смещения рассчитывалась как разница между идеальным значением кода середины 2047 (то есть 2047 В) и измеренным значением кода 2047 (табл. 4).

Таблица 4. Сводная таблица ошибки смещения для первого ЦАП при различных значениях смещения и температуры (приводится ошибка смещения в мВ)

Виден некоторый перекос смещения в сторону отрицательных значений. Предполагается, что это может быть связано с «просадкой» старших кодов (из-за падения на ключе/разводке в цепи верхней опоры и, соответственно, уменьшения полного диапазона сверху и искажения коэффициента передачи). Подводка «земли» сделана более надежно, и значительного подъема младших кодов не наблюдается.

Диапазон выходного напряжения ЦАП

Нижние значения выходного напряжения ограничиваются значениями примерно 2–3 мВ (предположительно это связано со смещением [усилителя] в плюс). Кроме того, на некоторых образцах наблюдается насыщение первых кодов (до 6), когда выдается постоянное значение около нуля (предположительно это связано со смещением в минус).

Верхние значения выходного напряжения ограничиваются значением до V_ref = 9 мВ (предположительно это связано с падением напряжения на ключе разводки и смещением в минус). При низких напряжениях питания из-за увеличения сопротивления ключей верхнее ограничение напряжения возрастет. Время перехода с нулевого уровня для всех вариантов кристаллов составляет порядка 2 мкс. Предполагается, что время включения ЦАП также не превышает 2 мкс. Ток потребления одного ЦАП при использовании внутренней опоры достигает 600 мкА. Это ток потребления матрицы и усилителя. Ток потребления одного ЦАП достигает 300 мкА при использовании внешней опоры. Таким образом, ток потребления матрицы составляет 300 мкА, который поступает от источника опоры.

Заключение

После проведения исследований всех вариантов экспериментальных образцов микроконтроллера 1886ВЕ6 будет проведена корректировка окончательного варианта, в котором будут применены наиболее удачные топологические решения реализации модулей, например, модуль АЦП из варианта № 1 и модуль ЦАП из варианта № 2. Остальные характеристики микроконтроллера 1886ВЕ6 представлены в таблице 1.

В настоящее время фирма ЗАО «ПКК Миландр» разработала и поставляет демонстрационный отладочный комплект Eval17 для микроконтроллера 1886ВЕ6. Внешний вид платы представлен на рис. 14.

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы для микроконтроллера 1886ВЕ6

Стоит отметить, что в настоящее время отечественных микроконтроллеров с такими характеристиками аналоговых блоков не существует. Микроконтроллер 1886ВЕ6 соответствует мировому уровню, а с учетом рабочего температурного диапазона и превосходит аналоги зарубежных фирм. Демонстрационный отладочный комплект можно приобрести в компании ЗАО «ПКК Миландр», а варианты экспериментальных образцов микроконтроллеров 1886ВЕ6 выдаются бесплатно.

Алексей Алексеев, Сергей Шумилин
Компания Миландр

Статья была опубликована в журнале "Компоненты и технологии" (№9, 2009)