数字化、智能化时代，可编程技术发挥重要作用

来源：AVNET

在日益繁荣的物联网时代，无数的设备相互连接，实现了前所未有的自动化和数据交换。然而，正是在这个互联的巨大网络中，传感器，作为前端的数据采集者，遇到了严峻的考验。微弱的信号、复杂的环境干扰、以及不同应用场景对性能的多样化要求，都使得传统的传感技术难以满足现代物联网的需求。同时，嵌入式系统（如MCU）作为驱动众多设备的核心，也在尺寸、成本和功耗方面面临着严格的标准。

正当此时，一项新的技术——可编程技术成为智能传感和嵌入式系统的有力后盾。通过这种技术的灵活编程特性，我们不仅可以增强并调整传感器的信号处理，还可以确保在多种环境下设备都能稳定而高效地运作，并帮助嵌入式系统实现功能、功耗和成本的良好的平衡。

传感器的“音量旋钮”：揭秘可编程增益放大器的魔法

在我们日常生活和工业领域中，传感器扮演着至关重要的角色，它们像忠实的守卫一样监测着环境变化、机械运动乃至生物信号。但是，这些传感器产生的信号往往微弱且容易受到干扰，这就是为什么我们需要一种特殊的“电子魔法”——可编程增益放大器（PGA）和可编程增益仪表放大器（PGIA），它们可以增强这些信号并保护它们免受干扰。

如果把传感器比作为一台能够自由调整音量的收音机，那么，PGA和PGIA就像是那个音量旋钮，可以放大（或减小）传感器的信号，以便我们的设备（如医疗设备、智能手机或汽车传感器）更好地理解这些信号。这种放大器最大的价值就是，可以编程控制增益，这意味着它们可以自动调整以适应不同情况的需求。

为什么它们如此特别？

精确度：通过使用PGA或PGIA，我们可以精确控制信号的放大程度，这对于需要高精度的应用（如医疗诊断或精密测量）至关重要。

灵活性：因为它们是可编程的，所以可以轻松调整来适应不同的需求和条件，无需更换硬件或进行复杂的手动调整。

集成度：这些放大器通常集成在单个芯片上，节省了宝贵的空间，同时还提高了性能和可靠性。

调音大师：如何优化PGA/PGIA的性能

当然，设计师在选择或使用PGA/PGIA时需要考虑几个关键因素：一、响应时间：这是放大器更改其增益设置后，信号需要“安定”的时间，对于快速变化的信号或高速扫描的系统，这一点尤其重要。二、精确度和稳定性：这些放大器的设计必须确保在整个工作温度范围内都能提供准确且稳定的性能。三、干扰和误差：设计师需要注意任何可能影响性能的附加因素，如电路中的微小电容和电阻。

至于这些问题，Microchip MCP6G01 SGA或瑞萨的ISL28533等集成的单片放大器解决方案，可以极大程度上缓解这些设计挑战，同时通过确保组件公差和温度依赖性的紧密匹配来提高性能。它们还通过增益选择逻辑简化了主机系统的控制，并减少了材料清单和PCB空间，这对设计和布局挑战提供了简化。此外，还必须考虑其他性能指标，如增益传播延迟和功耗。如果找不到合适的单片设备，使用特别选择的模拟组件构建放大器在这种情况下是有意义的。


Microchip的MCP6G01原理图显示了所使用的增益选择逻辑。（来源：Microchip）

可编程模拟技术：重新定义嵌入式系统的未来

除了传感器，从智能手机到工业自动化系统，几乎我们日常使用的每个设备都是由嵌入式系统控制的，嵌入式系统是现代电子设备的核心，它们负责处理和响应复杂的数据输入。

嵌入式系统通常需要在模拟和数字世界之间进行连接。为了实现这种接口，需要一个模拟前端（AFE）。传统方法主要是采用各种分立模拟元件和IC，如运算放大器和数据转换器来构建电路，但这种方法在空间、成本和功耗方面面临限制。随着技术的进步，集成模拟微控制器（MCU）提供了一种更高效的解决方案，但其却在功能和灵活性方面仍有限制。

面对日益增长的需求和设计复杂性，可编程模拟集成电路（IC）出现了，可编程模拟提供了种类最齐全的模拟外设，并具有集成模拟MCU，可以允许工程师在单一芯片上自定义一系列模拟功能，并实现了功能的良好平衡和易于开发。

不过，设计一个可编程的模拟集成电路是一项复杂的任务。这些集成电路需要提供所需的所有模拟信号链功能，这在从传感器接口到数据转换等方面有很大的变化。与集成有限的模拟外设的MCU相比，可编程模拟设备必须要支持多个输入和输出通道，并且需要不同的设计技能进行配置。

英飞凌的PSoC™系列是这一技术的先驱，它结合了微控制器和可编程的模拟和数字模块，为设计师提供了前所未有的灵活性。这对工程界来说具有重大意义，这种方法不仅减少了物料清单（BOM）的成本和复杂性，还缩小了电路板的尺寸，同时提供了能够即时重新配置的能力，这在传统集成模拟MCU中是不可能的。  

那么，英飞凌的这款可编程模拟器件具体是怎样工作的呢？PSoC™器件背后的底层架构是开关电容器模拟模块。通过精确控制电容器的充电和放电，这些器件能够模拟传统的电阻器、放大器和其他模拟组件的行为。这种技术的优点在于它允许在微观尺度上精确控制模拟电路的行为，同时占用更少的物理空间。

除了英飞凌，瑞萨也推出了自己的解决方案。其GreenPAK可编程混合信号器件也使用开关电容器技术。不过与英飞凌的方案不同，瑞萨的GreenPAK系列提供了一种无MCU的替代方案，但可以允许工程师集成各种模拟和数字功能，而无需微控制器的处理能力。瑞萨的GreenPAK解决方案也很好地降低了BOM成本和组件数量，并最大限度地减少电路板空间。

总的来说，英飞凌和瑞萨这两者都提供了可编程模拟解决方案，但在实现和用途上有所不同。英飞凌的PSoC™更倾向于需要高度集成MCU的应用，而GreenPAK提供了更广泛的混合信号支持功能，但没有MCU核心。

总结

总的来说，无论是可编程增益放大器（PGA），还是可编程IC，这些可编程技术凭借着诸多优点正在当今数字化时代，扮演着愈发重要的角色。相信随着这些可编程技术的不断进步，我们可以预见海量的数据将更好的为我们所用，能够满足各种行业不断增长的需求。