Les performances d`un vrai SoC

Les joies de l’analogique de
précision :
Les
performances
d’un vrai SoC
Par Aaron GL Podbelski, ingénieur en chef chargé
du marketing produit chez Cypress Semiconductor Corp.
Les systèmes deviennent de plus en
plus complexes, ce qui signifie que
les ingénieurs doivent réaliser des
appareils intégrant de plus en plus
de composants, tant analogiques
que numériques, sans compromettre
l’intégrité de l’ensemble. Heureusement,
de nouveaux microcontrôleurs à signaux
mixtes comprenant plus de composants
analogiques de précision que les
produits de générations précédentes font
aujourd’hui leur apparition. Utiliser ces
nouveaux appareils permet de réduire
les frais de nomenclature, de gagner
de la place sur les cartes, d’obtenir des
indices IP plus élevés et de bénéficier
de plus de possibilités de changement
lors du processus de conception. Les
microcontrôleurs à signaux mixtes sont
maintenant équipés de convertisseurs
analogiques-numériques dont la précision
démarre à 20 bits, d’amplificateurs dont la
tension de décalage est plus faible et de
références de tension de 0,1 %.
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eTech - NUMÉRO 2
Les
générations
précédentes de
microcontrôleurs à signaux
mixtes permettaient de concevoir
des appareils plus compacts
mais comprenaient souvent des
composants analogiques dont la
précision était insuffisante pour
bien des applications, ce qui en
faisait de bonnes solutions pour les
produits d’entrée de gamme, mais
pas pour les appareils de milieu
ou haut de gamme, qui devaient
toujours recourir à des composants
analogiques externes. Les
microcontrôleurs à signaux mixtes
actuels, par contre, disposent
de composants analogiques de
meilleure qualité : il devient donc
possible de réunir en un seul circuit
la gestion des signaux analogiques
et numériques sur les appareils de
milieu de gamme, et même haut de
gamme dans certains cas.
Plus le microcontrôleur à
signaux mixtes est efficace, plus
l’appareil final est susceptible de
constituer un véritable système
sur composant (SoC). En intégrant
CAN, CNA, comparateurs, mixeurs,
amplificateurs, filtres et références
de tension, le microcontrôleur
à signaux mixtes peut devenir
l’interface analogique et le système
de contrôle de tout l’appareil.
Ce dernier pourrait avoir deux
capteurs en entrée, amplificateur
et conditionneur de signaux puis
les quantifier afin de les afficher
sur un écran LCD directement
piloté par ses soins : il serait ainsi
possible, par exemple, de réaliser
un compteur à gaz à compensation
thermique sous la forme d’un SoC
complet.
L’un des principaux avantages des
microcontrôleurs à signaux mixtes
est la protection IP des composants
analogiques. Tout appareil
Autre avantage de certains
microcontrôleurs à signaux
mixtes comme les
PSoC 3 et PSoC 5
de Cypress :
ils simplifient
considérablement
le routage des signaux.
Lors du tracé des circuits
imprimés, les concepteurs doivent
en effet faire particulièrement
attention à isoler correctement les
signaux générateurs de bruit des
signaux sensibles. En outre, les
logiciels utilisés pour programmer
ces microcontrôleurs acheminent
automatiquement tous les signaux
internes de manière à assurer une
intégrité optimale des signaux
analogiques. Du temps gagné pour
les concepteurs, qui peuvent donc
se concentrer sur des aspects plus
essentiels du projet.
De manière générale, les
microcontrôleurs à signaux mixtes
permettent de réduire les coûts
de conception, ne serait-ce qu’en
termes de nomenclature, étant
donné qu’ils intègrent déjà les CAN,
CNA, comparateurs, amplificateurs,
mixeurs, références de tension,
multiplexeurs analogiques, etc. qu’il
serait normalement nécessaire
d’acquérir séparément. Ils
permettent également de simplifier
le routage des informations et de
gagner de la place sur la carte,
vu que tous ces composants ne
doivent plus y être disposés ; autant
d’éléments qui font gagner du
temps au concepteur, lequel doit
également moins se préoccuper
des problèmes de bruit. Depuis
que les composants analogiques
des microcontrôleurs à signaux
mixtes ont gagné en précision, il
est devenu possible de les utiliser
comme SoC sur un nombre
croissant d’appareils et de mettre
de côté les économies ainsi
réalisées.
Si l’on veut voir à quel point les
nouveaux microcontrôleurs à
signaux mixtes constituent une
solution compacte par rapport aux
générations précédentes, il suffit
de prendre comme exemple un
thermomètre de cuisine digital.
La sonde thermique est un
thermocouple de type K générant
une sortie d’environ 40 µV/°C, ce
qui est peu pour la plage désirée :
il est donc nécessaire de disposer
d’une référence très précise pour
capturer le signal avec précision. Le
signal de sortie du thermocouple
est une valeur absolue, ce qui
signifie qu’une mesure de jonction
froide est également requise ;
celle-ci est fournie par une
thermistance (étant donné que
les thermistances donnent des
mesures ratiométriques).
Avec les générations précédentes
de microcontrôleurs à signaux
mixtes, il était nécessaire de faire
appel à des composants externes
pour mesurer correctement le
signal du thermocouple. Étant
donné que leur référence de
tension interne n’était précise qu’à
3 % en moyenne, il fallait disposer
d’une référence de précision
externe, en général correcte à
0,1 %. La référence de tension
sert d’échelle de référence et
est envoyée au convertisseur
analogique-numérique (CAN)
du contrôleur en même temps
que le signal du thermocouple.
Pour fournir une mesure correcte,
le CAN lit alors alternativement la
tension de référence et le signal
du thermocouple. Ce dernier
étant faible, il peut être nécessaire
de l’amplifier (en fonction de la
résolution du CAN). Le signal de
sortie de la thermistance sert de
référence thermique, à laquelle on
ajoute celui du thermocouple.
La figure 1 illustre cette
configuration.
Avec un nouveau microcontrôleur
à signaux mixtes, la configuration
nécessaire pour mesurer le
signal du thermocouple est bien
plus simple, dans la mesure où
certains d’entre eux disposent
de références de tension très
précises. C’est par exemple le
cas du Cypress PSoC 3, dont la
référence de tension est correcte
à 0,1 %, ce qui est suffisant pour
ne pas avoir besoin de référence
externe. Comme le montre la
figure 2, le CAN peut se servir de la
référence interne et le concepteur
ne doit rien ajouter à l’appareil
pour lire correctement le signal du
thermocouple. Si le microcontrôleur
utilisé comprend également un
CAN haute résolution, il est même
possible de se passer de la phase
d’amplification car la conversion
donnera un signal suffisamment
détaillé. C’est le cas du Cypress
PSoc 3, qui intègre un CAN
Delta-Sigma 20 bits capable de
mesurer un signal sur une plage
de 1 V par pas d’un microvolt.
Ce type d’appareils permet donc
aux ingénieurs de concevoir des
dispositifs moins compliqués,
moins coûteux et plus compacts.
rentables, à l’indice de protection
IP plus élevé et faisant l’impasse
sur certains composants externes.
Grâce à la qualité accrue des
composants analogiques intégrés
à ces contrôleurs, les concepteurs
disposent d’un plus vaste choix
dans la réalisation de leurs produits,
ce qui débouche naturellement
sur de nouvelles méthodes
de résolution des problèmes.
L’exemple ci-dessus démontre
que les nouveaux produits sont
à même de résoudre différents
problèmes et permettent d’aller
bien plus loin dans la simplification
que les générations précédentes.
Les microcontrôleurs à signaux
mixtes sont de plus en plus utilisés,
ce qui n’a rien d’étonnant quand
on considère les performances en
analogique des modèles récents.
RS propose un vaste éventail
de microprocesseurs à signaux
mixtes. Pour en savoir plus,
consultez le site
www.rswww.fr/electronique
En résumé, les microcontrôleurs
à signaux mixtes de nouvelle
génération permettent de créer
des appareils plus simples, plus
Thermocouple
Thermistance
Amp
analogique complexe composé
de plusieurs composants peut
être analysé par la concurrence :
il est facile de dresser la liste des
composants employés, de lire les
signaux à l’aide d’un oscilloscope
et d’aller jusqu’à faire de l’interface
analogique un système de
référence. Si, par contre, ce même
appareil traite le signal analogique
à l’aide d’ un microcontrôleur à
signaux mixtes, il se transforme
en boîte noire. Tout concurrent
tentant de déterminer comment
le signal analogique est traité ne
peut voir que le signal entrant dans
l’appareil et non les composants
utilisés, leur interconnexions et
leurs paramètres. Les appareils bien
conçus résolvent les problèmes
par des moyens novateurs ; les
appareils conçus intelligemment
emploient des moyens novateurs
pour augmenter leur indice IP.
CAN 14 bits
Circuit de
traitement
VREF 0,1 %
Microcontrôleur à signaux mixtes
de génération précédente
Figure 1 : schéma fonctionnel d’un relevé de thermocouple basé sur
un microcontrôleur à signaux mixtes moins précis.
Thermocouple
Thermistance
CAN 20 bits
Circuit de
traitement
VREF 0,1 %
Microcontrôleur à signaux mixtes
de nouvelle génération
Figure 2 : schéma fonctionnel d’un relevé de thermocouple basé sur
un nouveau microcontrôleur à signaux mixtes de haute précision.
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