數位化、智慧化時代，可程式設計技術發揮重要作用

在日益繁榮的物聯網時代，無數的設備相互連接，實現了前所未有的自動化和資料交換。然而，正是在這個互聯的巨大網路中，感測器，作為前端的資料獲取者，遇到了嚴峻的考驗。微弱的信號、複雜的環境干擾、以及不同應用場景對性能的多樣化要求，都使得傳統的傳感技術難以滿足現代物聯網的需求。同時，嵌入式系統（如MCU）作為驅動眾多設備的核心，也在尺寸、成本和功耗方面面臨著嚴格的標準。

正當此時，一項新的技術——可程式設計技術成為智慧傳感和嵌入式系統的有力後盾。通過這種技術的靈活程式設計特性，我們不僅可以增強並調整感測器的信號處理，還可以確保在多種環境下設備都能穩定而高效地運作，並説明嵌入式系統實現功能、功耗和成本良好的平衡。

感測器的“音量旋鈕”：揭秘可程式設計增益放大器的魔法

在我們日常生活和工業領域中，感測器扮演著至關重要的角色，它們像忠實的守衛一樣監測著環境變化、機械運動乃至生物信號。但是，這些感測器產生的信號往往微弱且容易受到干擾，這就是為什麼我們需要一種特殊的“電子魔法”——可程式設計增益放大器（PGA）和可程式設計增益儀錶放大器（PGIA），它們可以增強這些信號並保護它們免受干擾。

如果把感測器比作為一台能夠自由調整音量的收音機，那麼，PGA和PGIA就像是那個音量旋鈕，可以放大（或減小）感測器的信號，以便我們的設備（如醫療設備、智慧手機或汽車感測器）更好地理解這些信號。這種放大器最大的價值就是，可以程式設計控制增益，這意味著它們可以自動調整以適應不同情況的需求。

為什麼它們如此特別？

• 精確度：通過使用PGA或PGIA，我們可以精確控制信號的放大程度，這對於需要高精度的應用（如醫療診斷或精密測量）至關重要。
   
• 靈活性：因為它們是可程式設計的，所以可以輕鬆調整來適應不同的需求和條件，無需更換硬體或進行複雜的手動調整。
   
• 集成度：這些放大器通常集成在單個晶片上，節省了寶貴的空間，同時還提高了性能和可靠性。

調音大師：如何優化PGA/PGIA的性能

當然，設計師在選擇或使用PGA/PGIA時需要考慮幾個關鍵因素：一、回應時間：這是放大器更改其增益設置後，信號需要“安定”的時間，對於快速變化的信號或高速掃描的系統，這一點尤其重要。二、精確度和穩定性：這些放大器的設計必須確保在整個工作溫度範圍內都能提供準確且穩定的性能。三、干擾和誤差：設計師需要注意任何可能影響性能的附加因素，如電路中的微小電容和電阻。

至於這些問題，Microchip MCP6G01 SGA或瑞薩的ISL28533等集成的單片放大器解決方案，可以極大程度上緩解這些設計挑戰，同時通過確保元件公差和溫度依賴性的緊密匹配來提高性能。它們還通過增益選擇邏輯簡化了主機系統的控制，並減少了材料清單和PCB空間，這對設計和佈局挑戰提供了簡化。此外，還必須考慮其他性能指標，如增益傳播延遲和功耗。如果找不到合適的單片設備，使用特別選擇的類比元件構建放大器在這種情況下是有意義的。

 
Microchip的MCP6G01原理圖顯示了所使用的增益選擇邏輯。（來源：Microchip）

可程式設計模擬技術：重新定義嵌入式系統的未來

除了感測器，從智慧手機到工業自動化系統，幾乎我們日常使用的每個設備都是由嵌入式系統控制的，嵌入式系統是現代電子設備的核心，它們負責處理和回應複雜的資料登錄。

嵌入式系統通常需要在類比和數位世界之間進行連接。為了實現這種介面，需要一個類比前端（AFE）。傳統方法主要是採用各種分立模擬元件和IC，如運算放大器和資料轉換器來構建電路，但這種方法在空間、成本和功耗方面面臨限制。隨著技術的進步，集成模擬微控制器（MCU）提供了一種更高效的解決方案，但其卻在功能和靈活性方面仍有限制。

面對日益增長的需求和設計複雜性，可程式設計模擬積體電路（IC）出現了，可程式設計模擬提供了種類最齊全的模擬外設，並具有集成模擬MCU，可以允許工程師在單一晶片上自訂一系列類比功能，並實現了功能的良好平衡和易於開發。

不過，設計一個可程式設計的模擬積體電路是一項複雜的任務。這些積體電路需要提供所需的所有類比信號鏈功能，這在從感測器介面到資料轉換等方面有很大的變化。與集成有限的模擬外設的MCU相比，可程式設計類比設備必須要支援多個輸入和輸出通道，並且需要不同的設計技能進行配置。

英飛淩的PSoC™系列是這一技術的先驅，它結合了微控制器和可程式設計的類比和數位模組，為設計師提供了前所未有的靈活性。這對工程界來說具有重大意義，這種方法不僅減少了物料清單（BOM）的成本和複雜性，還縮小了電路板的尺寸，同時提供了能夠即時重新配置的能力，這在傳統集成模擬MCU中是不可能的。  

那麼，英飛淩的這款可程式設計模擬器件具體是怎樣工作的呢？PSoC™器件背後的底層架構是開關電容器類比模組。通過精確控制電容器的充電和放電，這些器件能夠模擬傳統的電阻器、放大器和其他類比元件的行為。這種技術的優點在於它允許在微觀尺度上精確控制類比電路的行為，同時佔用更少的物理空間。

除了英飛淩，瑞薩也推出了自己的解決方案。其GreenPAK可程式設計混合信號器件也使用開關電容器技術。不過與英飛淩的方案不同，瑞薩的GreenPAK系列提供了一種無MCU的替代方案，但可以允許工程師集成各種類比和數位功能，而無需微控制器的處理能力。瑞薩的GreenPAK解決方案也很好地降低了BOM成本和元件數量，並最大限度地減少電路板空間。

英飛淩和瑞薩這兩者都提供了可程式設計模擬解決方案，但在實現和用途上有所不同。英飛淩的PSoC™更傾向于需要高度集成MCU的應用，而GreenPAK提供了更廣泛的混合信號支援功能，但沒有MCU核心。

總結

總的來說，無論是可程式設計增益放大器（PGA），還是可程式設計IC，這些可程式設計技術憑藉著諸多優點正在當今數位化時代，扮演著愈發重要的角色。相信隨著這些可程式設計技術的不斷進步，我們可以預見海量的資料將更好的為我們所用，能夠滿足各種行業不斷增長的需求。