PSoC y otros MCUs *mixed-signal*: adapta tus señales analógicas dentro del chip y acelera el diseño

Introducción

En electrónica de sensores, la frontera entre el mundo analógico y el digital suele resolverse con circuitería externa: op-amps, amplificadores de instrumentación, ADC dedicados, filtros activos… Sin embargo, las familias de microcontroladores mixed-signal —como Infineon PSoC, algunos STM32F3 o los nuevos PIC con Configurable Logic Blocks (CLB)— integran bloques analógicos y digitales reconfigurables en el propio encapsulado. Estos bloques abarcan desde op-amps rail-to-rail y PGAs hasta ADC ΔΣ de 20 bits y filtros digitales hardware. El resultado es una arquitectura que puede reducir la lista de materiales hasta un 35 % y comprimir semanas de validación al trasladar el front-end analógico al firmware.

¿Por qué es imprescindible adaptar las señales analógicas?

1. Impedancia y aislamiento

Sensores de puente o termistores presentan impedancias de kilo-ohmios; si se conectan sin búfer al ADC, la carga del convertidor distorsiona la medida. Un op-amp interno de alta impedancia mantiene la señal intacta.

2. Ganancia y resolución

Cuando la excursión de un sensor ocupa solo una fracción del rango del ADC, cada LSB representa demasiados microvoltios y la cuantización domina el ruido. Amplificar la señal hasta llenar todo el rango dinámico reparte el mismo error de cuantización en más niveles y aumenta la Effective Number of Bits (ENOB); cada 6,02 dB de mejora en SNR equivale a un bit adicional de resolución.
Ejemplo: un puente Wheatstone entrega ±20 mV y el ADC admite ±2 V; con una ganancia ×100 la señal pasa de ocupar el 2 % al 100 % del fondo de escala, ganando ≈ 4 bits efectivos sin cambiar de convertidor.

3. Rechazo de ruido y filtrado

Las líneas de sensor actúan como antenas de 50/60 Hz. Un amplificador diferencial seguido de filtros SC/CT y decimadores hardware —todo dentro del MCU— suprime la componente común antes de la conversión.

4. Ajuste de rango y referencia

Las referencias internas estables (por ejemplo, 1,024 V) permiten escalar la señal dentro del chip, maximizando la ventana útil del ADC y garantizando precisión térmica sin componentes externos.

Arquitectura analógica mixed-signal (vista genérica)

Los MCUs mixed-signal modernos operan entre 1,7 y 5,5 V, lo que permite excitar sensores a 5 V y conversar con lógica a 3,3 V sin level-shifters.

Ejemplo detallado: balanza con puente Wheatstone (PSoC 5LP)

A continuación se muestra cómo construir una báscula de 10 kg con resolución práctica de ±2 g sin amplificador externo ni módulo HX711, utilizando el kit CY8CKIT-048 o CY8CKIT-059, una celda de carga estándar de 1 kΩ y el IDE gratuito PSoC Creator.

Flujo de diseño paso a paso

1. Excitación ratiométrica

   • Alimenta el puente directamente con los 5 V del PSoC.
   • En el panel System fija Vddio = 5 V para que las E/S analógicas trabajen a ese nivel.

2. Amplificación diferencial

   • Arrastra un componente PGA al diagrama, ponlo en modo Differential y selecciona ganancia ×128 para llevar los ±20 mV del puente a unos ±2,56 V.

3. Cancelación de offset

   • Inserta un AMux de dos posiciones que conmuta las entradas del PGA en cada conversión.
   • El firmware resta las lecturas sucesivas (chopping), anulando el error de offset del op-amp.

4. Conversión ADC

   • Añade un ADC ΔΣ de 20 bits y fija la velocidad a 240 muestras/s.
   • Activa el decimador interno ×64; al promediar 64 muestras obtendrás ≈ 16 bits ENOB reales, suficientes para ±2 g en 10 kg.

5. Calibración y tara

   • Guarda los coeficientes de calibración en la flash del chip.
   • Utiliza DMA para volcar las lecturas del ADC a un buffer sin ocupar ciclos de CPU y aplica la tara en firmware.

Resultado

• Capacidad: 10 kg
• Resolución práctica: ±2 g
• Tiempo de prototipado: < 1 h (sin soldar ningún amplificador externo)

Todo el acondicionamiento —excitación, amplificación, filtrado y conversión— sucede dentro del microcontrolador, liberando superficie de PCB y simplificando la certificación.

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Placas PSoC recomendadas para empezar

Conclusión rápida: todas estas placas incluyen op-amps, PGA y al menos un ADC ΔΣ, eliminando la necesidad de módulos externos en prototipos de sensores de precisión.

Conclusión

Los periféricos analógicos integrados permiten medir, filtrar y acondicionar señales dentro del MCU, reduciendo la BOM y acelerando la salida al mercado. Proyectos reales muestran -35 % en coste de componentes y -40 % en time-to-market frente a arquitecturas discretas.

Además, ¿sabías que existen MCUs capaces de crear periféricos digitales personalizados mediante CLB o CLC? En el siguiente artículo veremos cómo implementar lógica discreta compleja dentro del microcontrolador para eliminar aún más hardware externo.

👉 Lee nuestro nuevo artículo sobre Bloques de Lógica Configurable (CLB/CCL): concepto, arquitectura y casos de uso

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