本文将为大家展示国产芯片HPM6000系列ADC性能出色的测试结果并为您提供了与HPM6000系列微控制器的模数转换器ADC相关的外部电路设计建议。
在HPM6700/6400系列微控制器上,提供了3个12位ADC和1个16位ADC。在HPM6300系列微控制器上,提供了3个16位ADC。在使用到AD转换的应用中,ADC的精度会影响到整个应用系统的性能。ADC的精度并不仅仅取决于模数转换器本身,也与微控制器的外部电路设计有关。
ADC外部电路设计
HPM6000系列高性能MCU的模数转换器ADC的供电和参考相关引脚总结如下:
表1. ADC的供电和参考引脚
本章节主要提供了ADC的供电和参考引脚的硬件设计建议。
1. ADC的供电
VANA为ADC的模拟供电引脚,VANA上的噪声有可能影响到ADC的精度。因此建议用户设计电路时,对HPM6000系列微控制器的VANA引脚谨慎处理。如条件允许,应采用单独的线性稳压器对VANA供电。推荐用户选择3.3V输出、供电电流大于50mA的LDO。
图1. VANA供电首选方案
如上图所示,HPM6000系列高性能微控制器支持单3.3V供电,可以对所有供电引脚提供统一的3.3V,对以下电源供电引脚:
DCDC_IN,片上DCDC的供电引脚,片内DCDC提供1.1V的核心电压输出
VPMC,电源管理域的外设供电引脚
VIO_Bxx,各个IOBank的供电引脚
这些供电引脚提供了微控制器整体功耗的主要部分,因此推荐用户使用效率更高的DCDC开关电源为之供电,对于不同系列产品,电源设计输出电流应有不小于1A的输出能力。
VANA的供电建议与其他电源引脚供电分开,以降低开关电源的噪声对模拟电路的影响,建议使用输出纹波更小的线性稳压器LDO对VANA供电,并在尽可能靠近VANA引脚的位置,并联1个4.7uF和1个0.1uF的电容用于滤波,注意电容应连接到模拟地。
用户如果出于种种因素,没有条件实现使用单独的线性稳压器对VANA供电,可以参考下图的次选方案:
图2. VANA供电次选方案
VANA应当通过0欧姆的电阻或磁珠单点连接到微控制器的3.3V供电电源,并在尽可能靠近VANA引脚的位置,并联1个4.7uF和1个0.1uF的电容到模拟地用于滤波。VANA供电的次选方案对电源噪声相比推荐方案稍敏感,但是用到的电源器件较为节省,如果用户对ADC的性能要求不严格,可以采用次选供电方案。
2. ADC的参考
VREFH是模数转换器ADC的高位参考电压输入。VREFH的稳定直接影响到ADC的转换精度和抗噪声特性。建议用户采用独立的基准电压模块,提供VREFH,如下图所示:
图3. VREFH首选方案
建议用户使用外部的基准电压模块提供VREFH,并在尽可能靠近VREFH引脚的位置,并联1个4.7uF和1个0.1uF的电容到模拟地用于滤波。
注意,VREFH的电压不要超过VANA的供电电压。
VREFL是ADC的低位参考电压,建议直接连接到模拟地,模拟地应当通过0欧姆的电阻单点与数字地连接。
如果出于成本考虑,不使用外部基准电压模块,用户可以参考以下VREFH次选方案:
图4. VREFH次选方案
VREFH应当通过0欧姆的电阻或磁珠单点连接到微控制器的VANA,并在尽可能靠近VREFH引脚的位置,并联1个4.7uF和1个0.1uF的电容到模拟地用于滤波。
VREFL是ADC的低位参考电压,建议直接连接到模拟地,模拟地应当通过0欧姆的电阻单点与数字地连接。
3.ADC的模拟信号输入
ADC的模拟信号输入线路上引入的噪声会对ADC的转换精度造成影响,用户可以采取以下措施,尽可能消除输入信号的噪音:
尽可能减短输入信号线路的长度。
避免在模拟信号线平行布置数字信号线路。
如果条件允许,可以在模拟信号线两侧布置地线用作屏蔽。
考虑在靠近ADC输入引脚的位置添加外部RC滤波器,注意RC滤波器的截止频率应 高于应用关心的ADC模拟输入信号的频率。
图5. 模拟信号输入推荐
总 结
本文提供了HPM6000系列微控制器模数转换器ADC相关的硬件设计指南,ADC的参考电压和模拟供电质量直接关系到ADC的转换精度。建议用户根据应用的ADC转换精度要求,在以下几种参考方案中,选择合适的。
图6. ADC供电和参考连接方案总结
如上图所示,建议用户使用独立的线性稳压器产生VANA供电,独立的外部基准电压生成VREFH参考,以此获得最优的ADC转换精度。也可以考虑使用独立线性稳压器产生VANA和VREFH。性能最优的参考方案(前者),相比性能次优的参考方案(后者),ADC转换结果噪声降低可达约5%~10%。
对于ADC转换精度要求不严格的用户,可以使用开关电源DCDC产生MCU的全部供电。这个成本最优的参考方案,相比性能最优和性能次优的方案,ADC转换结果噪声增加可达20%~50%。
注意,ADC的转换精度受多种因素影响,各推荐方案及其效果仅供参考,建议用户根据自身应用对ADC的要求,选择合适的方案。
上图是HPM6750微控制器采用16位ADC(ADC3)以1MSPS采样率,对1.8V输入进行2万多次转换的转换结果。VREFH由外部基准电压提供,可以看到,转换结果的跳动幅度为+/-35LSB(~1.5mV)。所有转换结果的标准差为~5.58LSB。
上图是HPM6750的16位ADC(ADC3),采用标准测试方法,测试差分非线性(DNL)和积分非线性(INL)的测试结果。结果显示其16位ADC的DNL为-0.9/+1 LSB,INL为-5.2/+3.1 LSB。有兴趣的读者可以访问先楫半导体官方网站查阅HPM6700/6400系列微控制器数据手册,获取完整的ADC电气特性参数。
以上为本期内容,如果您有想了解关于 HPM6000系列的其他内容,欢迎私信小编,后期会推出更多相关内容哦!
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