Honeywell HMC5983 3轴数字罗盘IC：特性、应用与操作指南

在电子设备日益智能化和小型化的今天，精确的磁场测量和方向感知变得至关重要。Honeywell的HMC5983 3轴数字罗盘IC凭借其卓越的性能和丰富的功能，成为众多应用领域的理想选择。本文将深入介绍HMC5983的特性、优势、技术规格以及操作模式，为电子工程师们提供全面的参考。

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一、产品概述

HMC5983是一款经过温度补偿的三轴集成电路电子罗盘。它采用表面贴装的多芯片模块设计，专为低磁场感应应用而打造，广泛应用于手机、平板电脑、上网本、消费电子、汽车导航系统和个人导航设备等领域。

该芯片集成了霍尼韦尔先进的高分辨率HMC118X系列磁阻传感器以及一个专用ASIC，具备放大、自动消磁带驱动、偏移消除和12位ADC等功能，能够实现1°至2°的罗盘航向精度。同时，它支持I²C或SPI串行总线接口，方便与其他设备进行通信。

二、产品特性与优势

（一）特性

1. 紧凑封装：采用3.0x3.0x0.9mm的LCC表面贴装封装，集成了3轴磁阻传感器和ASIC，节省空间。
2. 温度补偿：提供温度补偿数据输出和温度输出，确保在不同温度环境下的测量准确性。
3. 自动偏移补偿：自动调整传感器的内部偏移，使传感器的全动态范围可用于测量外部磁场。
4. 高分辨率：12位ADC与低噪声AMR传感器相结合，实现2毫高斯的磁场分辨率。
5. 多种接口：支持I²C（标准、快速、高速模式）或SPI数字接口，满足不同应用需求。
6. 高速输出：最大输出速率可达220Hz，适用于实时应用。
7. 内置自测试：可通过内置自测试功能快速验证传感器的功能。
8. 低电压低功耗：工作电压范围为2.16至3.6V，功耗仅为100μA，适合电池供电应用。
9. 宽磁场范围：支持±8 Oe的宽磁场范围，可在不同磁场环境下工作。
10. 软件和算法支持：提供软件和算法支持，方便开发者进行应用开发。

（二）优势

1. 高度集成：小尺寸设计适合高度集成的产品，只需添加微控制器接口和两个外部SMT电容，即可满足高产量、成本敏感的OEM设计需求。
2. 易于组装：与高速SMT组装兼容，便于大规模生产。
3. 温度稳定性：在宽工作温度范围内自动保持传感器的灵敏度，确保测量准确性。
4. 高分辨率和精度：实现1°至2°的罗盘航向精度，满足高精度应用需求。
5. 高速通信：高速接口支持快速数据通信，I²C可达3.4mHz，SPI可达8.0mHz。
6. 应用广泛：适用于行人导航和LBS应用，以及其他需要磁场测量和方向感知的领域。
7. 低成本测试：可在生产组装后进行低成本的功能测试。
8. 环保合规：符合RoHS标准，环保可靠。
9. 强磁场适应性：传感器可在强磁场环境下保持1°至2°的罗盘航向精度。
10. 校准支持：提供罗盘航向、硬铁、软铁和自动校准库，方便传感器校准。

三、技术规格

（一）电源规格

• 电源电压：VDD（参考AGND）范围为2.16至3.6V，VDDIO（参考DGND）范围为1.71至VDD。
• 平均电流消耗：空闲模式下为100μA，测量模式下（7.5Hz ODR）根据电源配置有所不同。

（二）性能规格

• 磁场范围：全量程为±8高斯，3位增益控制可实现±1至±8高斯的动态范围。
• 灵敏度：VDD = 3.0V时，增益范围为230至1370 LSb/高斯。
• 数字分辨率：VDD = 3.0V时，分辨率为0.73至4.35毫高斯/LSb。
• 噪声底限：磁场分辨率为2毫高斯。
• 线性度：±2.0高斯输入范围内为±0.1% FS。
• 磁滞：±2.0高斯输入范围内为±25 ppm。
• 交叉轴灵敏度：交叉场为0.5高斯，Happlied = ±3高斯时为±0.2% %FS/高斯。
• 输出速率：连续测量模式下为0.75至220Hz，单测量模式下测量周期为6ms。
• 启动时间：I²C命令准备时间为200μs，模拟电路测量准备时间为50ms。
• 增益公差：所有增益/动态范围设置下为±5%。

（三）通信规格

• I²C地址：8位读地址为0x3D，8位写地址为0x3C。
• 时钟速率：I²C可达3400kHz，SPI可达8000kHz。
• I²C磁滞：SCL和SDA上施密特触发器输入的磁滞范围为0.2VDDIO至0.8VDDIO（VDDIO = 1.8V）。

（四）其他规格

• ESD电压：人体模型（所有引脚）为2000V，充电设备模型（所有引脚）为750V。
• 工作温度范围：-30至85°C。
• 存储温度范围：-40至125°C。
• 回流分类：MSL 3，峰值温度260°C。
• 封装尺寸：长度和宽度为2.85至3.15mm，高度为0.8至1.0mm，重量为18mg。

四、引脚配置

HMC5983采用16引脚无铅芯片载体（LCC）封装，各引脚功能如下：	引脚	名称	描述
1	SCL/SPI_SCK	串行时钟 – I²C主/从时钟或SPI串行时钟
2	VDD	电源供应（2.16V至3.6V）
3	NC	不连接
4	SPI_CS	SPI芯片选择线（低电平有效）。用于I²C接口时连接到VDDIO
5	SPI_SDO	SPI串行数据输出
6	I²C /~SPI	I²C / SPI选择引脚。连接到VDD选择I²C（同时将SPI_CS连接到VDDIO），连接到GND选择SPI
7	NC	不连接
8	SETP	设置/复位带正端 – S/R电容（C2）连接
9	SoC	转换开始（上升沿有效）。应用中不使用此功能/焊盘时连接到地
10	C1	储能电容（C1）连接
11	GND	电源地
12	SETC	S/R电容（C2）连接 – 驱动端
13	VDDIO	IO电源供应（1.71V至VDD）
14	NC	不连接。无内部连接
15	DRDY	数据就绪，中断引脚。内部上拉。可选连接。数据放入数据输出寄存器时低电平持续>200μs
16	SDA/SPI_SDI	串行数据 – I²C主/从数据或SPI串行数据输入或SPI串行数据I/O（SDI/O）用于3线接口

五、安装与布局考虑

（一）PCB布局

为确保HMC5983的性能，应注意以下PCB布局要点：

1. 避免在传感器两侧放置可能包含铁磁材料（如镍）的组件。
2. 在PCB的任何层中，传感器下方或附近不应有导电铜。
3. 对于I²C布局，双电源模式下传感器下方的一条走线不应承载有源电流，因为它用于将引脚4上拉至VDDIO。为减少磁噪声源，应去除传感器下方的电源和接地平面。
4. 对于HMC5983与外部电容（C1和C2）之间的走线，应确保其能够处理1安培的峰值电流脉冲，并具有低电压降。

（二）模板设计和焊膏

建议使用4密耳的模板和100%的焊膏覆盖率，以确保电气接触焊盘的良好连接。

（三）回流组装

该器件的MSL等级为3，峰值回流温度为260°C。如果器件在组装前未连续保存在干燥（<10% RH）环境中，则需要进行烘烤处理（125°C，24小时）。HMC5983与铅共晶和无铅焊膏回流曲线兼容，建议遵循焊膏制造商的指南。不建议进行手工焊接，可使用内置自测试功能验证组装后器件的功能。

（四）外部电容

两个外部电容应采用低ESR特性的陶瓷电容。推荐ESR值小于200毫欧。储能电容C1的标称电容值为4.7μF，设置/复位电容C2的标称电容值为0.22μF。由于许多小型SMT陶瓷电容（0402）可能不具备低ESR特性，可能需要增大电容尺寸以获得低ESR特性。

六、基本设备操作

（一）各向异性磁阻传感器

HMC5983的磁阻传感器电路由三个传感器和特定应用支持电路组成，用于测量磁场。施加电源后，传感器将敏感轴方向上的任何入射磁场转换为差分电压输出。磁阻传感器由镍铁（坡莫合金）薄膜制成，并图案化为电阻条元件。在磁场存在的情况下，电桥电阻元件的变化会导致电桥输出电压的相应变化。这些电阻元件对齐以具有共同的敏感轴，当磁场在敏感方向上增加时，会提供正电压变化。由于输出仅与沿其轴的磁场分量成比例，因此在正交方向上放置额外的传感器电桥，以允许在任何方向上准确测量磁场。

（二）自测试

为检查HMC5983的正常运行，芯片内置了自测试功能。通过在配置寄存器A中设置位MS[n]，可以使传感器内部激发一个标称磁场（正偏或负偏配置）。这个磁场被测量并报告。内部电流源从VDD电源产生约10mA的直流电流，该电流施加到磁阻传感器的偏移带上，在传感器上产生一个人工磁场。这个测量值与环境磁场测量值的差值将被放入三个轴的数据输出寄存器中。通过使用这个内置功能，制造商可以在组装后快速验证传感器的完整功能，而无需额外的测试设置。自测试结果还可用于估计/补偿传感器因温度引起的灵敏度漂移。

（三）电源管理

HMC5983有两个不同的电源域：VDD用于内部操作，VDDIO专门用于IO接口。可以选择VDDIO等于VDD的单电源模式，也可以选择VDDIO低于VDD的模式，使HMC5983能够与板上的其他设备兼容。

（四）通信总线接口

HMC5983作为从设备连接到串行接口总线，由主设备（如处理器）控制。可以通过I²C或SPI接口控制该设备，使用引脚6（I²C /~SPI）选择I²C或SPI接口模式。

1. I²C接口：该设备符合I²C总线规范，支持标准、快速和高速模式（100kHz、400kHz和3400kHz）。外部上拉电阻是支持这些模式所必需的。主设备的活动（寄存器读写）优先于内部活动（如测量），以避免主设备等待和I²C总线长时间占用。
2. SPI接口：该设备符合4线和3线SPI接口标准。通过设置模式寄存器中的SIM（SPI串行接口模式选择）位（MR2）为1，可以选择3线模式。

（五）内部时钟

设备内部有一个时钟，用于内部数字逻辑功能和时序管理，但该时钟不可供外部使用。

（六）H桥用于设置/复位带驱动

ASIC包含大型开关FET，能够向传感器的设置/复位带提供大而短暂的脉冲。这个带主要是一个电阻负载，无需外部设置/复位电路。ASIC会自动控制设置/复位功能，每次测量时，设置脉冲和复位脉冲测量值的差值的一半将被放入三个轴的数据输出寄存器中。这样可以消除传感器的内部偏移及其温度依赖性，同时有效去除传感器中的任何过去磁历史（磁性）。

（七）充电电流限制

在单电源和双电源配置中，储能电容（C1）充电时的电流都受到限制，以防止拉低电源电压（VDD）。

（八）温度补偿

工厂默认启用测量磁场数据的温度补偿功能。内置温度传感器测量的温度将根据传感器的典型灵敏度温度系数用于补偿传感器因温度引起的灵敏度变化。补偿后的数据将自动放入数据输出寄存器中。要使补偿功能生效，必须启用温度传感器（设置CRA7 = 1）。

（九）温度输出

HMC5983内置温度传感器，通过设置配置寄存器A的位7（CRA7）可以启用其输出。该位在上电时默认禁用。启用此功能后，每次进行磁场测量时都会进行温度测量，并将输出放入温度输出寄存器（0x31和0x32）中。

（十）自动偏移补偿

HMC5983在每次测量前自动将传感器的内部（电桥）偏移调整为零。这一功能使传感器的全动态范围可用于测量外部磁场，在增益设置较高（较低的GN#）时尤为重要，因为在较高增益下动态范围较小。只要传感器在要测量的外部磁场的全范围内不饱和，较高的增益通常意味着更好的分辨率和更高的精度。

七、操作模式

HMC5983有几种操作模式，主要用于电源管理，由模式寄存器控制。

（一）连续测量模式

在连续测量模式下，设备以用户可选的速率连续进行测量，并将测量数据放入数据输出寄存器中。如果需要，可以从数据输出寄存器中重新读取数据。但如果主设备在下次测量完成前未确保访问数据寄存器，则数据输出寄存器将用新的测量值更新。为了在测量之间节省电流，设备会进入类似于空闲模式的状态，但模式寄存器不会更改为空闲模式，即MD[n]位不变。配置寄存器A中的设置会影响数据输出速率（位DO[n]）和测量配置（位MS[n]）。在连续测量模式下，所有寄存器保持其值，I²C总线可供网络上的其他设备使用。

（二）单测量模式

这是上电后的默认模式。在单测量模式下，设备进行一次测量，并将测量数据放入数据输出寄存器中。测量完成且输出数据寄存器更新后，设备进入空闲模式，模式寄存器通过设置MD[n]位更改为空闲模式。配置寄存器中的设置会影响单测量模式下的测量配置（位MS[n]）。在单测量模式下，所有寄存器保持其值，I²C总线可供网络上的其他设备使用。

（三）空闲模式

在空闲模式下，设备可通过I²C总线访问，但主要的功耗源（如ADC、放大器和传感器偏置电流）被禁用。在空闲模式下，所有寄存器保持其值，I²C总线可供网络上的其他设备使用。

八、寄存器配置

HMC5983通过多个片上寄存器进行控制和配置，以下是主要寄存器的介绍：

（一）寄存器列表

地址位置	名称	访问
0x00	配置寄存器A	读/写
0x01	配置寄存器B	读/写
0x02	模式寄存器	读/写
0x03	数据输出X MSB寄存器	读
0x04	数据输出X LSB寄存器	读
0x05	数据输出Z MSB寄存器	读
0x06	数据输出Z LSB寄存器	读
0x07	数据输出Y MSB寄存器	读
0x08	数据输出Y LSB寄存器	读
0x09	状态寄存器	读
0x0A	识别寄存器A	读
0x0B	识别寄存器B	读
0x0C	识别寄存器C	读
0x31	温度输出MSB寄存器	读
0x32	温度输出LSB寄存器	读

（二）寄存器访问

设备使用地址指针来指示要读取或写入的寄存器位置。这些指针位置由主设备发送到从设备，并跟随7位地址（0x1E）加1位读写标识符（读为0x3D，写为0x3C）。为了减少