La famiglia PIC24FJ128GC010 combina l’alta velocità con un’efficiente gestione energetica, offrendo un sistema analogico “on chip” con un Microcontrollore a 16-bit PIC24 e le relative periferiche. Comprende il primo ADC di precisione on-chip di Microchip, un ADC Sigma-Delta a 12 bit da 10 Msps, un DAC e degli amplificatori operazionali duali.
La famiglia dei PIC24FJ128GC010 offre un sistema analogico ad alta velocità “on-chip” con periferiche e driver di collegamento. Oltre ai convertitori analogico-digitali e digitale-analogico di ultima generazione, offre amplificatori operazionali duali, il tutto supportato dalla tecnologia eXtreme Lower Power (XLP) che garantisce una gestione di energia molto efficiente, fattore importante nelle applicazioni mediche portatili. La combinazione di questi fattori, integrazione analogica e basso consumo di energia elettrica, permette di ridurre il rumore nei dispositivi elettronici progettati, migliorando la caratterizzazione del segnale nelle applicazioni di monitoraggio.
La famiglia PIC24FJ128GC010 integra un driver per schermo LCD che permette di pilotare fino a 472 segmenti, visualizzando contenuti informativi complessi, compresi i banner alfanumerici a scorrimento. Il driver USB permette la gestione dei dati di apparecchiature scientifiche tramite PC, per una facile analisi. La periferica on-chip Touch supporta il rilevamento tattile di tipo capacitivo. Volendo riassumerle in breve, le caratteristiche principali di questa famiglia possono essere le seguenti:
- Funzioni analogiche intelligenti e tecnologia eXtreme Low Power (XLP) per applicazioni scientifiche portatili
- ADC di precisione a 12-bit di Microchip
- Riduzione dei costi e del rumore
- Alto livello di integrazione
L’integrazione dell’ADC con porte USB e driver LCD permette di realizzare in un unico sistema di dimensioni ridotte, semplici applicazioni di controllo alimentate a batteria. La famiglia di questi Microcontrollori garantisce una riduzione dei costi anche nelle applicazioni muti-chip, offrendo una riduzione di rumore per garantire una buona caratterizzazione del segnale e realizzazione di PCB di dimensioni ridotte. La famiglia PIC24FJ128GC010 (Figura 1) è supportata dallo Starter Kit per PIC24F Intelligent Integrated Analog (DM240015) focalizzato sulla parte analogica integrata della famiglia.
Figura 1: La famiglia PIC24FJ128 GC010
Extreme Lower Power (XLP):
Poiché le applicazioni elettroniche richiedono bassa potenza o un sistema di alimentazione a batteria, nella fase di progettazione il risparmio energetico diventa fondamentale. Le applicazioni odierne devono consumare poca energia, in casi estremi, durare per molti anni utilizzando una singola batteria. Per abilitare queste applicazioni, i prodotti con la tecnologia nanoWatt XLP di Microchip offrono le caratteristiche di più basso assorbimento di corrente del settore per le modalità Run e Sleep, dove le applicazioni estreme in bassa potenza spendono il 90-99% del loro tempo. La tecnologia NanoWatt XLP permette di ottenere correnti di Sleep fino a 9 nA e correnti in modalità Run di circa 30 A/MHz.
“Touch on-chip” Capacitivo:
La presenza nel mercato dei System on-Chip, che integrano al proprio interno un numero sempre maggiore di processori e periferiche standard, ha permesso di sviluppare dei sistemi di elaborazione dell’informazione sempre più complessi e performanti ma, tuttavia, non completamente personalizzabili per le applicazioni specifiche. Le nuove tecniche di rilevamento capacitivo dimostrano livelli superiori di sensibilità e di immunità al rumore, consumi ridotti e una maggiore velocità di aggiornamento. Un sensore capacitivo (Figura 2) è costituito da una piazzola conduttiva circondata da una massa e da una connessione a un controller.
Figura 2: Touch on-chip Capacitive: esempio di schema circuitale equivalente di progettazione. Il Condensatore Cx e gli switch simulano il tocco sullo schermo
MODULI ANALOGICI
L’ADC Sigma-Delta (Figura 3) è un convertitore analogico-digitale ad elevata precisione per segnali nell’intervallo DC-4 kHz. Il convertitore ha una risposta di tipo filtro passa basso per i segnali come temperatura, trasduttori di pressione, AC power line.
Figura 3: ADC Sigma-Delta
Ci sono due canali di ingresso indirizzati a PGA completamente differenziali (Programmable Gain Amplifier) , che semplificano notevolmente le misure in singola alimentazione, in condizioni di modo comune. Nella maggior parte dei casi, un filtro unipolare è sufficiente come anti-aliasing (Figura 4).
Figura 4: Esempio di Filtro Anti-aliasing
Gli ADC Sigma-Delta hanno un elevato guadagno ed errori di offset che devono essere compensati. Il PIC24FJ128GC010 possiede una speciale modalità di misurazione per il guadagno e per la compensazione degli errori, che vengono poi gestiti in un semplice calcolo in linea dal firmware della MCU, per poi produrre la lettura finale dall’ADC. Il pipeline dell‘ADC è di un tipo ad alta velocità e 12 bit che può raggiungere 10 milioni di conversioni in un secondo. Il PIC24FJ128GC010 dispone di 50 canali di ingresso indipendenti che possono essere sia di tipo touch pad capacitivo sia comportarsi come ingressi di tensione standard. A causa dell’elevato rumore di fondo, per poter ottenere i migliori risultati, i campioni devono essere mediati. Ci sono due moduli amplificatori operazionali indipendenti che hanno impostazioni di velocità/potenza programmabili. Gli amplificatori operazionali sono caratterizzati da una corrente di polarizzazione in ingresso molto bassa (< 10 pA), ma la tensione di offset in ingresso necessita di compensazione. Il modulo DAC ha due uscite indipendenti in tensione con diverse opzioni per selezionare la tensione di riferimento del DAC. I DAC possono essere utilizzati per la generazione di tono e modulazione Adaptive Differential Pulse Code (ADPCM). Oltre ai moduli precedenti, la famiglia del PIC24FJ128GC010 possiede un’unità di misura del tempo di carica (CTMU) con soglia Detect (DS39743), tre comparatori, un controller LCD e USB OTG.
ESEMPI APPLICATIVI
Una misura classica di controllo dei processi industriali comporta l’uso di un circuito di misura “a ponte”. Questa è una specifica topologia circuitale costituita da 4 resistenze (chiamata per esteso ponte di Wheatstone), 3 delle quali sono conosciute e dello stesso valore, e un quarto resistore di valore variabile a seconda delle condizioni. Quest’ultimo è quello che cambia il proprio valore a causa del fenomeno applicato: pressione dell’aria, compressione, umidità e molti altri. Un tipico trasduttore a ponte è illustrato in Figura 5.
Figura 5: Trasduttore a ponte
La tensione di uscita può essere espressa mediante la seguente equazione:
Dove VE è la tensione di eccitazione (può essere AC o DC ) e RG è l’elemento variabile alle altre resistenze R. Questi ultimi sono tipicamente di valore da 5KW a 20KW. La variazione della resistenza genera una piccola tensione differenziale di uscita che deve essere amplificata e la polarizzazione CC rimossa prima del pin di ingresso dell’ADC (Figura 6).
Figura 6: Ponte di Wheatstone con gli operazionali interni del PIC24
I due amplificatori operazionali interni possono essere configurati come un amplificatore di strumentazione, il cui guadagno è fissato da un unico resistore. Gli amplificatori agiscono anche come filtro antialiasing, aggiungendo 2 condensatori a tutti i resistori di retroazione. Il guadagno del PGA può essere impostato su un valore inferiore (nell’intervallo 2x - 8x), riducendo il rumore totale in ingresso al convertitore SD_ADC (ADC Sigma Delta). In Figura 6 viene mostrato l’esempio applicativo. Un altro esempio circuitale è il monitoraggio della linea di alimentazione in corrente alternata (AC) per il quale sono state adottate delle norme rigorose (IEC 62052, IEC 62053 e ANSI C12.20), destinate ai misuratori di potenza che vengono utilizzati per fatturare agli utenti la quantità di energia utilizzata. Questi contatori sono vincolati da una specifica richiesta di precisione dello 0,2% o 0,5% e devono essere necessariamente sottoposti a più di 30 prove di calibrazione per essere dichiarati compatibili. A tale proposito Microchip ha diversi progetti di riferimento e note applicative, un esempio delle quali è mostrato in Figura 7.
Figura 7: Monitor di Potenza Assorbita Monofase 120 VAC
Le misurazioni della pressione sanguigna di ultima generazione, oltre a prevedere una lettura digitale, garantiscono un elevato grado di efficienza. I trasduttori di pressione disponibili utilizzano una topologia a ponte resistivo e sono specificati tanto in psi (libbre per pollice quadrato) quanto in kPa (kiloPascal), per cui è in ogni caso necessaria una conversione in mmHg (millimetri di mercurio). Lo schema circuitale è illustrato nella Figura 8.
Figura 8: Misuratore di pressione sanguigna
Il trasduttore di pressione (OMRON 2SMPP - 02) è previsto per pressioni nell’intervallo tra 0 e 37 kPa, specifico per i polsi, con uscita non calibrata molto vicino a 1 mV = 10 mmHg. Il campo complessivo varia nella gamma 0- 310 mmHg, coprendo in questo modo tutte le possibili letture. Il trasduttore di pressione è progettato per essere eccitato da una corrente di 100 mA, che è fornita da un canale DAC e da uno degli amplificatori operazionali interni. La misurazione del livello di glucosio nel sangue è un elemento chiave per il monitoraggio preventivo del livello della glicemia, e viene eseguito quotidianamente dai pazienti diabetici. La tecnica utilizza una speciale ‘striscia’ con prodotti chimici specifici aggiunti, per causare una reazione chimica al glucosio quando il campione su striscia viene percorso da una corrente elettrica. Un esempio applicativo relativo a tali misure, realizzato con la famiglia di PIC24 è visualizzato in Figura 9.
Figura 9: Schema a blocchi per la misura del glucosio
La corrente di attivazione per la reazione chimica viene impostata dal DAC1. La corrente risultante viene convertita, successivamente, in una tensione da OA1 e inviata alla SD_ADC tramite 2 poli (filtro antidisturbo 16 Hz). Il DAC2 compensa qualsiasi offset in DC, al fine di ridurre il rumore di modo comune.
