提高類比元件精準度　系統單晶片效能大躍進

改進類比元件　功能趨多樣

混合訊號微控制器的功能越完備，整個設計就越趨近於真正的系統單晶片(SoC)。把類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)、比較器、混頻器、放大器、濾波器及參考電壓等元件整合至單一混合訊號微控制器，就能構成設計中的類比前端部分和控制系統。設計中可置入輸入端以連結兩個感測器，進行放大與調節訊號，再經過量化並顯示到液晶螢幕上，而這個螢幕也是由同一個元件來驅動。應用例子包括溫度補償的氣體流量儀表，這類設計就是一個完整的系統單晶片。  

運用混合訊號微控制器的主要好處之一，就是保護類比IP。複雜的類比設計會用到許多分立的元件，很容易被競爭對手透過逆向工程仿造。對手很容易就能判斷出所有元件的清單，並利用示波器讀出訊號，如此整個類比前端部分就變成對手的參考設計方案。若設計採用一個混合訊號微控制器來調節類比訊號，就能讓整個設計變成無法窺視的黑盒子。競爭對手若想要找出處理類比訊號的方法，只能看到輸入到元件的訊號，無法看到裡面使用的元件，也無法看出元件互連的方法或相關設定。優良的設計會運用新穎的方法來解決問題，聰明的設計更會運用新穎的方法來保護其IP。  

另外還有其他好處，例如賽普拉斯(Cypress) PSoC 3與PSoC 5混合訊號微控制器，能解決訊號線路的配置問題。在進行電路板布線時，設計人員須小心應付容易產生雜訊的訊號線路，並為容易受雜訊干擾的線路加上遮蔽元件。用來設計這類元件的軟體工具會自動配置所有內部訊號，為類比訊號提供最佳的完整性，讓系統設計師有更多的時間投入在專案中其他部分的設計工作上。  

整合度提高　設計成本降低  

一般來說，混合訊號微控制器能協助降低設計的成本。多種元件整合後，能讓業者節省零組件成本。由於元件中整合更多常用的類比元件，就不再需要許多外部元件，成本也因此降低。同樣地，由於這些元件不再裝於電路板，電路板的面積因此縮小，成本也得以降低。此外，由於機板上的元件數量減少，線路設計也得以簡化，設計師得擔心的線路雜訊問題就更少，設計時間也因而縮短。隨著許多混合訊號微控制器提高內建類比元件的精準度，越來越多的設計可把這類元件當成系統單晶片來用，並享受降低成本的好處。  

數位式烹調溫度計就是一個很好的例子，反映出新型高精準度混合訊號微控制器如何提供簡潔的解決方案，性能得以超越先前世代的產品。在這個例子中，運用一個K型熱電偶來偵測溫度，該元件能提供40μV/℃的輸出訊號。由於輸出數據小於需要的範圍，因此還須搭配一個精準的參考元件來擷取訊號。熱電偶的輸出數值是絕對測量結果，因此還須要參考一個冷接點讀取數據，亦即由熱敏電阻測得的數據(熱敏電阻提供相對比例的量測數據)。  

前幾代的混合訊號微控制器須運用一些外部元件，藉以量測熱電偶。由於舊型混合訊號微控制器的內部參考電壓其平均精準度為3%，因此需要精準的外部參考電壓值，這方面通常採用精準度0.1%的參考電壓，需要參考電壓作為一個尺度的參考基準點，輸入到控制器的ADC及熱電偶的輸入端。ADC後再讀取熱電偶和參考電壓，藉以提供正確的讀數。由於熱電偶的輸出訊號強度較弱，所以需要一個放大器，配合ADC的解析度提供適合的訊號值。熱電偶的輸出訊號，作為參考熱溫數據，系統還會參考熱電偶的讀數，判斷出正確的量測值(圖1)。

圖1　熱電偶的模塊圖表，使用精準度較低的混合訊號微控制器。

擺脫外部元件　設計更精簡

新型混合訊號微控制器在量測熱電偶輸出數值方面的設計要簡單許多。有些混合訊號微控制器採用一個高精準度的參考電壓，例如賽普拉斯的PSoC 3元件，其參考電壓的精準度達到0.1%。這類設計就不需要外部參考元件，ADC可作為量測數據的內部參考元件，設計師毋須擔心需要額外的設定才能讀出熱電偶的精準數據，如圖2所示的設計。若元件用來作為高解析度的ADC，也可省下訊號放大的階段，因為轉換過程能提供細分度夠高的訊號。賽普拉斯的PSoC 3元件內含一個解析度達20位元的Delta-Sigma ADC，能提供解析度達1微伏特(μV)的1.0伏特量測範圍。運用高精準度混合訊號微控制器，由於複雜度降低，設計人員花費在設計上的時間也能縮短。整體而言，新一代的混合訊號微控制器讓設計人員簡化設計方案、保護IP、減少對外部元件的需求，並提高元件的價值。

圖2　運用新式高精準度混合訊號微控制器讀出熱電偶的數據

(本文作者任職於賽普拉斯)