Isolierte Delta-Sigma-Modulatoren bieten Schnittstellenoptionen sowohl für ein extern als auch intern generiertes Taktsignal mit entweder einer CMOS- oder einer LVDS-Schnittstelle. Bei Ger?ten mit extern bereitgestellter Taktquelle, z. B. AMC1306M25 mit CMOS-Schnittstelle oder AMC1305L25 mit LVDS-Schnittstelle, wird das Taktsignal von der MCU an den Takteingang des Delta-Sigma-Modulators geleitet, w?hrend bei Ger?ten mit intern bereitgestellter Taktquelle der Ausgabebitstrom mit dem intern erzeugten Takt synchronisiert wird, zum Beispiel AMC1303M2520. Es gibt auch isolierte Delta-Sigma-Modulator-Bausteine mit Manchester-codiertem Ausgang Bitstrom, die Eindrahtdaten- und Taktübertragung unterstützen, zum Beispiel AMC1306E25. Bei allen isolierten Delta-Sigma-Modulatoren stellt der Datenausgang des Modulators einen Bitstrom digitaler Einsen und Nullstellen bereit, der synchron zur Taktkante nach au?en verschoben wird.

Abbildung 145 zeigt ein vereinfachtes Beispiel für eine CMOS-Schnittstelle mit 3,3 V E/A zwischen dem isolierten Delta-Sigma-Modulator AMC1306M25 und einem C2000 MCU TMS320F28379D. Da der AMC1306M25 eine extern bereitgestellte Taktquelle ben?tigt, wird das Taktsignal vom MCU TMS320F28379D erzeugt und an den Takteingang des Delta-Sigma-Modulators CLKIN geleitet. Parallel dazu wird das erzeugte Taktsignal auch zum Takteingang an das Sigma-Delta-Filtermodul (SDFM) der MCUs SD1_C1 (GPIO123) geleitet. Je nach Systemdesign kann sich in der Taktschnittstelle zwischen der MCU und dem isolierten Delta-Sigma-Modulator ein Taktpuffer befinden. Der isolierte Datenausgangs-DOUT des Delta-Sigma-Modulators ist direkt mit dem Sigma-Delta Filtermodule-(SDFM)-Dateneingang SD1_D1 (GPIO122) des MCUs verbunden.

Abbildung 145 Vereinfachte digitale Schnittstelle des AMC1306M25 zum TMS320F28379D

Die gültige Kommunikation zwischen dem isolierten Delta-Sigma-Modulator und der MCU wird in den jeweiligen Datenbl?ttern des Bausteins durch die Einrichtungs- und Hold-Timing-Anforderungen beschrieben. Die Einrichtungszeit ist die Zeit, die das Datensignal vor einem Taktsignalübergang gültig und stabil sein muss, um das Datensignal in der MCU zu erfassen. Die Haltezeit ist die Zeit, die ein Signal gültig und stabil gehalten werden muss, nachdem ein Taktsignalübergang eintritt. Die Einhaltung der Anforderungen an die Einrichtung und Haltezeit von MCUs ist von entscheidender Bedeutung, da jeder Versto? zur Erfassung falscher Daten führen kann. Die Inkompatibilit?t zwischen der Konfiguration der digitalen Schnittstelle und den Anforderungen an das Hold-Timing des isolierten Delta-Sigma-Modulators und der MCU kann eine Designherausforderung darstellen.

Abbildung 146 skizziert das digitale Schnittstellen-Timing für die Einrichtungs- und Haltezeit des AMC1306x, das eine empfohlene Taktfrequenz (CLKIN) von 5 MHz bis 21 MHz mit einer Datenhaltezeit t_h (MIN) = 3,5 ns und einer Datenverz?gerungszeit t_d (MAX) = 15 ns unterstützt.

Abbildung 146 AMC1306x Digitales Schnittstellen-Timing

Abbildung 147 skizziert das Zeitdiagramm des Sigma-Delta-Filtermoduls (SDFM) TMS320F28379D für Modus 0. Die Dateneingabe bei SDX_Dy muss die minimale Einrichtungszeit t_{su(SDDV-SDCH)M0} und die minimale Haltezeit t_{h(SDCH-SDD)M0} in Bezug auf die steigende Taktflanke des SDX_Cy-Signals im SDFM-Modul erfüllen.

Abbildung 147 TMS320F28379D SDFM-Zeitdiagramm – Modus 0

Für das TMS320F28379D SDFM-Modul im Modus 0 empfehlen wir den SDFM-Betrieb mit qualifiziertem GPIO (3-Abtastfenster). Dieser Modus bietet Schutz vor zuf?lligen Rauschst?rungen beim Eingangstaktsignal (SDX_Cy) und Dateneingang (SDX_Dy), um falsche Komparator-überstromausl?sung und falsche Sinc-Filterausgabe zu vermeiden. Die minimalen Einrichtungs- und Haltezeiten für einen 200-MHz-Systemtakt mit TMD320F28379D liegen bei 10 ns: t_{su (SDDV-SDCH)M0} (MIN) = 10 ns und t_{h(SDCH-SDD)M0} (MIN) = 10 ns.

Dies stellt eine Designherausforderung dar, da die minimale Haltezeit t_h (MIN) des AMC1306M25 3,5 ns betr?gt. Allerdings sind 10 ns erforderlich, damit das SDFM-Modul die korrekte Erfassung am Dateneingang SDX_Dy mit Bezug auf die steigende Taktflanke des SDX_Cy-Signals aufrechterhalten kann.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sich die Ausbreitungsverz?gerung zus?tzlicher Komponenten in der Signalkette mit der digitalen Schnittstelle, wie zum Beispiel ein Taktpuffer, sowie die Ausbreitungsverz?gerung der durch die Leiterbahnl?nge auf der Leiterplatte eingebundenen Takt- und Datensignale auf die Timings zwischen SDX_Cy- und SDX_Dy-Eingaben auswirken und das korrekte Erfassungs-Timinig der Dateneingabe erschweren.

Das gleiche gilt für Delta-Sigma-Modulatoren mit LVDS-Schnittstelle, wie den AMC1305L25. Der einzige Unterschied zu AMC1306M25 Delta-Sigma-Modulatoren mit CMOS-Schnittstellentyp besteht darin, dass für die digitale Signalkette zu einer MCU mit CMOS-Schnittstelle zus?tzliche Komponenten wie ein LVDS-Treiber und -Empf?nger ben?tigt werden, was zu weiteren Ausbreitungsverz?gerungen beitr?gt. Abbildung 148 zeigt eine vereinfachte digitale Schnittstelle zwischen dem isolierten Delta-Sigma-Modulator AMC1305L25 mit LVDS-Schnittstelle und der MCU TMS320F28379D mit CMOS-Schnittstelle.

Abbildung 148 AMC1305L25 Digitale Schnittstelle zu TMS320F28379D

Abbildung 149 zeigt eine vereinfachte digitale Schnittstelle eines isolierten Delta-Sigma-Modulators mit einer intern erstellten Taktquelle AMC1303Mx mit CMOS-Schnittstelle zum TMS320F28379D mit CMOS-Schnittstelle. Das intern erzeugte Taktsignal CLKOUT des AMC1303Mx wird in das Sigma-Delta-Filtermodul (SDFM) SD1_C1 (GPIO123) der MCUs eingebracht. Der isolierte Datenausgangs-DOUT des Delta-Sigma-Modulators ist direkt mit dem MCUs-Dateneingang SD1_D1 (GPIO122) des SDFM verbunden.

Abbildung 149 Digitale CMOS-Schnittstelle zum TMS320F28379D AMC1303M2520 für 3,3 V

Bei der Verwendung eines isolierten Modulators mit einem internen Taktgeber beschr?nkt sich die Herausforderung der digitalen Schnittstelle auf die verschiedenen Timing-Spezifikationen des isolierten Delta-Sigma-Modulators und die Einrichtungs- und Haltezeiten der MCUs. Die Ausbreitungsverz?gerung von Takt- und Datensignalen, die durch die Leiterbahnl?nge auf der Platine eingeführt wird, kann vernachl?ssigt werden, wenn die Takt- und Datensignale auf derselben L?nge geroutet werden. In der Regel ist der Modulator direkt mit der MCU verbunden, sodass kein Puffer oder Pegelwandler ben?tigt wird, was eine zus?tzliche Ausbreitungsverz?gerung bedeutet.

Die AMC1303Mx Haltezeit t_h(MIN) betr?gt 7 ns und die Verz?gerungszeit t_d (MAX) betr?gt 15 ns für die 10-MHz- und 20-MHz-Taktversionen. Die Herausforderung besteht darin, dass die minimale Haltezeit t (MIN) von AMC1303Mx 7 ns betr?gt, aber das SDFM-Modul 10 ns ben?tigt, um die Dateneingabe an SDX_Dy ohne jegliche Einrichtungs- und Haltezeitverletzungen korrekt zu erfassen.

Bei isolierten Delta-Sigma-Modulatoren mit einem Manchester-codierten Bitstream-Ausgang, z. B. AMC1306E25, werden Daten und Takt über eine Eindraht-L?sung übertragen. Damit die Anforderungen an die Einrichtungs- und Haltezeit des empfangenden Ger?ts gegenüber dem Modulatortakt nicht berücksichtigt werden müssen.

Eine h?ufig verwendete Methode und ein Kompromiss bei der Erfüllung der Anforderungen an die Einrichtung und Haltezeit von MCUs ist die Reduzierung der Taktfrequenz. Allerdings führt die Reduzierung der Taktfrequenz auch zu einer Reduzierung der Datenausgangsrate des isolierten Delta-Sigma-Modulators und einer Erh?hung der Latenz der Strommessung. Eine geeignetere Methode ist die Verwendung einer Taktvoreilungs-Verz?gerungskompensation. Diese erm?glicht es, die Taktflanke des Taktsignals an einen idealen Abtastpunkt des Datensignals zu verschieben, um die Einrichtungs- und Hold-Timing-Anforderungen zu erfüllen. Durch diese Methode werden die Taktfrequenzbeschr?nkungen beseitigt, wodurch der isolierte Delta-Sigma-Modulator und das System mit voller Leistung arbeiten k?nnen.