HPM6000系列 ADC 相關硬件設計教程

本文將為大家展示國產(chǎn)芯片HPM6000系列ADC性能出色的測試結(jié)果并為您提供了與HPM6000系列微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC相關的外部電路設計建議。

在HPM6700/6400系列微控制器上，提供了3個12位ADC和1個16位ADC。在HPM6300系列微控制器上，提供了3個16位ADC。在使用到AD轉(zhuǎn)換的應用中，ADC的精度會影響到整個應用系統(tǒng)的性能。ADC的精度并不僅僅取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器本身，也與微控制器的外部電路設計有關。

ADC外部電路設計

HPM6000系列高性能MCU的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的供電和參考相關引腳總結(jié)如下：

表1. ADC的供電和參考引腳

本章節(jié)主要提供了ADC的供電和參考引腳的硬件設計建議。

1. ADC的供電

VANA為ADC的模擬供電引腳，VANA上的噪聲有可能影響到ADC的精度。因此建議用戶設計電路時，對HPM6000系列微控制器的VANA引腳謹慎處理。如條件允許，應采用單獨的線性穩(wěn)壓器對VANA供電。推薦用戶選擇3.3V輸出、供電電流大于50mA的LDO。

圖1. VANA供電首選方案

如上圖所示，HPM6000系列高性能微控制器支持單3.3V供電，可以對所有供電引腳提供統(tǒng)一的3.3V，對以下電源供電引腳：

DCDC_IN，片上DCDC的供電引腳，片內(nèi)DCDC提供1.1V的核心電壓輸出

VPMC，電源管理域的外設供電引腳

VIO_Bxx，各個IOBank的供電引腳

這些供電引腳提供了微控制器整體功耗的主要部分，因此推薦用戶使用效率更高的DCDC開關電源為之供電，對于不同系列產(chǎn)品，電源設計輸出電流應有不小于1A的輸出能力。

VANA的供電建議與其他電源引腳供電分開，以降低開關電源的噪聲對模擬電路的影響，建議使用輸出紋波更小的線性穩(wěn)壓器LDO對VANA供電，并在盡可能靠近VANA引腳的位置，并聯(lián)1個4.7uF和1個0.1uF的電容用于濾波，注意電容應連接到模擬地。

用戶如果出于種種因素，沒有條件實現(xiàn)使用單獨的線性穩(wěn)壓器對VANA供電，可以參考下圖的次選方案：

圖2. VANA供電次選方案

VANA應當通過0歐姆的電阻或磁珠單點連接到微控制器的3.3V供電電源，并在盡可能靠近VANA引腳的位置，并聯(lián)1個4.7uF和1個0.1uF的電容到模擬地用于濾波。VANA供電的次選方案對電源噪聲相比推薦方案稍敏感，但是用到的電源器件較為節(jié)省，如果用戶對ADC的性能要求不嚴格，可以采用次選供電方案。

2. ADC的參考

VREFH是模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的高位參考電壓輸入。VREFH的穩(wěn)定直接影響到ADC的轉(zhuǎn)換精度和抗噪聲特性。建議用戶采用獨立的基準電壓模塊，提供VREFH，如下圖所示：

圖3. VREFH首選方案

建議用戶使用外部的基準電壓模塊提供VREFH，并在盡可能靠近VREFH引腳的位置，并聯(lián)1個4.7uF和1個0.1uF的電容到模擬地用于濾波。

注意，VREFH的電壓不要超過VANA的供電電壓。

VREFL是ADC的低位參考電壓，建議直接連接到模擬地，模擬地應當通過0歐姆的電阻單點與數(shù)字地連接。

如果出于成本考慮，不使用外部基準電壓模塊，用戶可以參考以下VREFH次選方案：

圖4. VREFH次選方案

VREFH應當通過0歐姆的電阻或磁珠單點連接到微控制器的VANA，并在盡可能靠近VREFH引腳的位置，并聯(lián)1個4.7uF和1個0.1uF的電容到模擬地用于濾波。

VREFL是ADC的低位參考電壓，建議直接連接到模擬地，模擬地應當通過0歐姆的電阻單點與數(shù)字地連接。

3.ADC的模擬信號輸入

ADC的模擬信號輸入線路上引入的噪聲會對ADC的轉(zhuǎn)換精度造成影響，用戶可以采取以下措施，盡可能消除輸入信號的噪音：

盡可能減短輸入信號線路的長度。

避免在模擬信號線平行布置數(shù)字信號線路。

如果條件允許，可以在模擬信號線兩側(cè)布置地線用作屏蔽。

考慮在靠近ADC輸入引腳的位置添加外部RC濾波器，注意RC濾波器的截止頻率應 高于應用關心的ADC模擬輸入信號的頻率。

圖5. 模擬信號輸入推薦

總 結(jié)

本文提供了HPM6000系列微控制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC相關的硬件設計指南，ADC的參考電壓和模擬供電質(zhì)量直接關系到ADC的轉(zhuǎn)換精度。建議用戶根據(jù)應用的ADC轉(zhuǎn)換精度要求，在以下幾種參考方案中，選擇合適的。

圖6. ADC供電和參考連接方案總結(jié)

如上圖所示，建議用戶使用獨立的線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生VANA供電，獨立的外部基準電壓生成VREFH參考，以此獲得最優(yōu)的ADC轉(zhuǎn)換精度。也可以考慮使用獨立線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生VANA和VREFH。性能最優(yōu)的參考方案（前者），相比性能次優(yōu)的參考方案（后者），ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果噪聲降低可達約5%~10%。

對于ADC轉(zhuǎn)換精度要求不嚴格的用戶，可以使用開關電源DCDC產(chǎn)生MCU的全部供電。這個成本最優(yōu)的參考方案，相比性能最優(yōu)和性能次優(yōu)的方案，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果噪聲增加可達20%~50%。

注意，ADC的轉(zhuǎn)換精度受多種因素影響，各推薦方案及其效果僅供參考，建議用戶根據(jù)自身應用對ADC的要求，選擇合適的方案。

上圖是HPM6750微控制器采用16位ADC（ADC3）以1MSPS采樣率，對1.8V輸入進行2萬多次轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換結(jié)果。VREFH由外部基準電壓提供，可以看到，轉(zhuǎn)換結(jié)果的跳動幅度為+/-35LSB（~1.5mV）。所有轉(zhuǎn)換結(jié)果的標準差為~5.58LSB。

上圖是HPM6750的16位ADC(ADC3)，采用標準測試方法，測試差分非線性（DNL）和積分非線性（INL）的測試結(jié)果。結(jié)果顯示其16位ADC的DNL為-0.9/+1 LSB，INL為-5.2/+3.1 LSB。有興趣的讀者可以訪問先楫半導體官方網(wǎng)站查閱HPM6700/6400系列微控制器數(shù)據(jù)手冊，獲取完整的ADC電氣特性參數(shù)。

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