HPM6000系列 ADC 相关硬件设计教程

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IO Bank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！