ADuCM350：高精度、低功耗的片上仪表解决方案

在当今的电子设备设计中，对于高精度、低功耗且功能丰富的芯片需求日益增长。ADuCM350作为一款完整的、由硬币电池供电的高精度片上仪表，为便携式设备应用提供了出色的解决方案。本文将深入介绍ADuCM350的特点、规格、性能以及应用等方面，帮助电子工程师更好地了解和应用这款芯片。

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一、产品概述

ADuCM350专为便携式设备应用而设计，适用于即时诊断和监测生命体征的可穿戴设备等。它具备高精度的电流、电压和阻抗测量能力，其模拟前端（AFE）集成了16位、160 kSPS的高精度模数转换器（ADC）、0.17%精度的电压基准、12位无失码数模转换器（DAC）以及可重构的超低泄漏开关矩阵。同时，它还搭载了基于ARM® Cortex - M3的处理器、内存和各种I/O连接，支持带显示、USB通信和有源传感器的便携式仪表。该芯片采用120引脚、8 mm × 8 mm的CSP_BGA封装，工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C。

二、关键特性

（一）模拟性能

1. 高精度ADC：160 kSPS、16位的ADC，提供4个专用电压测量通道和8个电流测量通道，能够满足多种测量需求。
2. 阻抗测量引擎：可实现复杂的阻抗测量，为相关应用提供准确的数据。
3. 高精密电压基准：具有高精度的电压基准，确保测量的准确性。
4. 超低泄漏开关矩阵：可配置的超低泄漏开关矩阵，减少测量误差。
5. 其他模拟组件：还包括12位DAC、精密仪表放大器控制回路、6通道CapTouch控制器、温度传感器等，丰富了芯片的模拟功能。

（二）处理能力

1. 处理器：采用16 MHz的ARM Cortex - M3处理器，具备较强的处理能力。
2. 内存：拥有384 kB的嵌入式闪存、32 kB系统SRAM和16 kB闪存配置的EEPROM，满足数据存储和程序运行的需求。
3. 通信接口：集成全速USB 2.0控制器和PHY，以及SPI、I2C、UART等多种外设接口，方便与其他设备进行通信。

（三）电源管理

1. 电源兼容性：与硬币电池兼容，工作电压范围为2.5 V至3.6 V，适合便携式设备的电源需求。
2. 电源管理单元（PMU）：提供多种电源模式，包括动态和软件控制的时钟门控和电源门控，支持极低的动态和休眠功耗管理。
3. 电源监测：具备电源上电复位（POR）和电源供应监测（PSM）功能，确保系统的稳定运行。

三、规格参数

（一）模拟前端规格

1. AFE LDO规格：输出电压为1.71 - 1.89 V，压差典型值为150 mV，具有良好的线性和负载调节能力。
2. 高精度内部参考规格：ADC和DAC的参考电压精度高，温度系数小，确保在不同温度环境下的测量准确性。
3. DAC/RCF/PGA规格：DAC输出范围为 - 600至 + 600 mV，分辨率为12位，具有良好的线性度和精度。
4. 开关矩阵规格：不同类型的开关具有不同的导通电阻和泄漏电流，满足不同的应用需求。
5. 跨阻放大器规格：最大电流吸收/源为 ± 5 mA，具备短路保护功能。
6. ADC规格：输入范围无失码，DNL和INL指标良好，采样率为160 kSPS，3 dB带宽为54 kHz。
7. 温度传感器规格：在0°C至50°C范围内精度为 ± 1°C，在 - 40°C至 + 85°C范围内精度为 ± 2°C。
8. CapTouch规格：核心分辨率为14位，核心SNR为60 dB，更新速率可编程。
9. DFT - 基于阻抗测量规格：阻抗测量的精度和精度较高，幅度和相位的标准偏差较小。

（二）数字平台规格

1. 数字LDO规格：输出电压为1.71 - 1.89 V，压差典型值为150 mV，上电时间为42 μs。
2. 低功耗LDO规格：输出电压稳定，具有良好的线性和负载调节能力。
3. 闪存规格：具有20,000次的擦写寿命，擦除时间为20 ms，编程时间为20 μs，数据保留时间为100年。
4. 数字输入/输出规格：指定引脚的电源范围为2.5 V至3.6 V，功能引脚的电源范围为1.65 V至2.5 V，具有不同的输入输出电压和阻抗特性。
5. 通用串行总线规格：输入电压范围为3.6 - 5.25 V，调节输出电压为3.2 - 3.4 V，满足USB 2.0的电气测试要求。

（三）系统时钟/定时器规格

1. 平台外部晶体振荡器规格：提供低频和高频两种晶体振荡器，频率分别为32,768 Hz和8或16 MHz。
2. 片上RC振荡器规格：高频RC振荡器频率为16 MHz，精度为 ± 5%，启动时间为35 μs；低频RC振荡器频率为32,768 Hz，精度为 ± 20%，启动时间为980 μs。
3. PLL规格：系统PLL和USB PLL提供稳定的时钟输出，具有较低的抖动。
4. 看门狗、唤醒和通用定时器规格：不同类型的定时器具有不同的超时周期和功能，可满足不同的应用需求。

（四）电源管理规格

1. 电源供应规格：包括VCCM_ANA、VCCM_DIG、VBACK、VBUS、VDD_IO和VLCDVDD等电源引脚的电压范围。
2. 电源供应监测规格：对VCCM、VRTC和VBACK等电源进行监测，具有电压检测范围、滞后和跳变点检测精度等参数。
3. 涓流充电器规格：充电电流为0.48 mA，反向电流小于1 μA，正向电压为40 - 120 mV。

（五）时序特性规格

1. LCD段/公共时序规格：不同的FRAMESEL设置对应不同的LCD帧速率和频率。
2. I2C时序规格：在快速模式（400 kHz）和标准模式（100 kHz）下具有不同的时钟脉冲宽度、数据设置时间和保持时间等参数。
3. I2S时序规格：主发送器和从接收器具有不同的时钟周期、高/低周期、数据延迟和保持时间等参数。
4. SPI时序规格：主模式和从模式下具有不同的时钟脉冲宽度、数据输出有效时间和数据输入设置时间等参数。

四、典型性能特性

文档中提供了一系列典型性能特性的图表，包括ALDO、VREF、REF_EXCITE和VBIAS的线路和负载调节特性，ADC和DAC的INL和DNL特性，接收通道抗混叠滤波器的滚降特性，噪声频谱密度，DAC的建立时间，阻抗测量的幅度和相位精度，CapTouch的线性度和SNR，以及GPIO的VOH和VOL特性等。这些特性直观地展示了ADuCM350在不同方面的性能表现。

五、模拟前端

（一）激励阶段

激励/发射阶段由一个12位DAC、激励缓冲器和反馈路径中的仪表放大器组成，可在待测量的阻抗上施加精确的电压，消除测量系统中的寄生效应。所有测量都参考一个精密外部电阻，用于内部校准环路，确保未知阻抗上无直流偏置。用户可以根据应用需求优化校准电阻（RCAL）、激励波形的交流幅度和电流 - 电压（IV）电阻，以测量80 Hz至 ~ 75 kHz范围内的阻抗。开关矩阵提供34个用户可选开关，具有良好的电流承载能力，可实现自校准功能，减轻工厂校准的负担，消除温度和老化引起的测量误差。

（二）测量阶段

AFE包含一个多路复用输入、160 kSPS、16位的ADC，具有4个专用电压测量通道和最多8个多路复用电流测量通道，使用片上跨阻放大器。多路复用通道在数据转换前进行滤波和差分缓冲。ADC数据可以通过三种方式进行查询：原始数据（160 kSPS）、50 Hz/60 Hz滤波器输出（900 SPS）和离散傅里叶变换（DFT）引擎。功率线滤波器具有快速稳定的特性，仅需36.6 ms即可稳定。DFT引擎执行2048点单频离散傅里叶变换，将16位ADC输出转换为具有实部和虚部的复阻抗，提供79.5 Hz的信号能量带宽，有效抑制干扰。

（三）AFE控制

AFE可以通过MMR由ARM Cortex - M3控制，所有AFE内部模块都可以通过MMR寄存器进行完全控制和观察。可以通过AHB总线或可编程序列器间接访问MMR。有两个专用的DMA通道，减轻了ARM Cortex - M3管理数据和控制FIFO的负担。序列器处理低级别AFE操作，允许AFE独立执行功能，异步于核心进行精确的AFE测量。用户可以使用波形发生器块创建参数化波形，如梯形或正弦波，通过AFE序列器和DMA传输实现任意波形。

（四）CapTouch特性

ADuCM350集成了电容式触摸子系统，可与多达6个电容式触摸通道以自电容模式接口，无需外部组件即可实现高性能电容传感。传感器输入配置灵活，采用多种技术确保外部传感器不会产生误触。CapTouch核心包含多种算法，如中值和平均滤波测量，以及可配置的激励频率和占空比，以减少系统噪声拾取。子系统还包括自定时器和触摸 - 释放例程，优化功耗并减轻ARM Cortex - M3的计算负担。

六、微子系统

（一）内存

ADuCM350提供多种内存选项，包括384 kB闪存、16 kB用于EEPROM仿真的闪存、2 kB用户信息、32 kB SRAM和2 kB用于USB端点的专用SRAM。闪存通过闪存控制器访问，支持自动签名检查、用户签名、奇偶校验等功能，具有20,000次的擦写寿命和100年的数据保留时间。

（二）调试能力

支持4线JTAG调试（JTAG）接口和2线串行调试（SWD）接口，集成了ARM Cortex - M3的完整嵌入式跟踪功能，可实现代码分析、系统性能分析和调试。

（三）可编程GPIO

具有66个GPIO引脚，大多数引脚具有多个可配置功能，可配置为输入/输出，并具有可编程上拉或下拉电阻。所有I/O引脚在整个电源范围（VBAT = 1.8 V至3.6 V）内都能正常工作。在节能模式下，GPIO引脚保持状态，复位时为三态，防止总线干扰。

（四）定时器

1. 通用定时器：有三个相同的通用定时器，每个定时器具有16位的向上/向下计数器，可从四个用户可选时钟源中选择时钟，并可通过预分频器进行缩放。
2. 看门狗定时器（WDT）：是一个16位的向下计数器，具有可编程预分频器，可由32 kHz晶体振荡器（LFXTAL）或32 kHz片上振荡器（LFOSC）时钟驱动，用于从非法软件状态中恢复。
3. 唤醒定时器（WUT）：由一个32位计数器组成，可由32 kHz外部晶体（LFXTAL）、32 kHz内部振荡器（LFOSC）或外设时钟（PCLK）时钟驱动，所选时钟源可进行缩放。

（五）USB

USB端口是USB 2.0全速兼容端口，包括USB控制器、USB PHY、USB RAM和2通道DMA。集成的调节器由VBUS供电，为USB PHY提供电源。有一个专用的PLL，可提供60 MHz的时钟。支持批量、等时、中断和控制模式，具有七个硬件端点和专用的2通道DMA，支持挂起和唤醒功能。控制器硬件由一套完整的USB设备类驱动程序补充，使用Micrium堆栈提供完整的USB功能，需要系统上运行RTOS。

七、电源管理和时钟

（一）电源模式

PMU提供对ADuCM350电源模式的控制，允许ARM Cortex - M3控制时钟和电源门控，以降低动态功耗和休眠功耗。有四种电源模式：

1. 活动模式：所有外设均可启用，通过优化时钟管理来管理活动功耗。
2. 核心睡眠模式：核心时钟门控，但系统其余部分仍处于活动状态，此模式下无法执行指令，但DMA传输可在外部设备和内存之间继续进行。
3. 系统睡眠模式：大多数外设时钟门控，不再可由用户编程，中断控制器保持活动，NVIC处理有限数量源的唤醒事件。
4. 休眠模式：保留有限状态，有限数量的唤醒中断，RTC处于活动状态。 此外，设备还有备份模式，通过超级电容器为RTC和相关电路提供最小电源，使用80 mF电容器时RTC可运行超过12小时。

（二）电源管理

ADuCM350具有集成的电源管理系统，包括集成的模拟和数字LDO（调节至1.8 V）、高性能AFE测量（2.5 V至3.6 V）、集成的电源开关（用于休眠模式下的低待机电流）、集成的智能二极管涓流充电器（用于备份模式下的超级电容器）、专用的VDDIO电压（通过九个GPIO引脚）、专用的USB收发器调节器和专用的监控电路（确保故障安全运行）。

（三）时钟

片上有两个振荡器和两个外部晶体的驱动电路，包括32 kHz内部振荡器（LFOSC）、16 MHz内部振荡器（HFOSC）、32 kHz外部晶体振荡器（LFXTAL）和16 MHz外部晶体振荡器（HFXTAL）。支持8 MHz或16 MHz谐振电路，HF RC振荡器精度为 ± 5%，低抖动时钟源用于精确的AFE测量。USB要求频率精度为 ± 200 ppm，USB控制逻辑必须以 > 30 MHz的时钟驱动，USB PHY需要60 MHz的时钟。低频时钟针对超低功耗应用进行了优化，RTC需要激活32.768 kHz XTAL，使用充满电的0.08 F超级电容器可运行12小时。

（四）实时时钟

RTC包含一个低功耗晶体振荡电路，与32,768 Hz外部晶体配合使用。在25°C时，使用10 ppm晶体类负载电容器可实现25 ppm的计时性能。RTC具有32位计数寄存器、预分频器、闹钟和中断标志以及数字微调功能。

八、显示选项

（一）LCD段显示驱动和控制器

ADuCM350包含一个片上LCD控制器，可直接驱动LCD面板，有36个引脚用于LCD功能。支持驱动多达128个段，以及可选的多路复用选项，包括静态选项（一个背板 × 32个前板）和4× mux选项（四个背板 × 32个前板）。还支持使用内部电荷泵电路生成的LCD波形电压，支持2.4 V至3.6 V的LCD，可编程帧速率，在帧边界生成中断（用于更新LCD数据），以及LCD帧时钟（由板载32 kHz晶体生成）。

（二）LCD显示控制器选项

LCD控制器还能够驱动外部LCD显示模块，有25个引脚用于显示接口，支持高达16位的数据传输。支持MIPI DBI规范版本2.0的A、B、C类型，具体包括A类型接口的Fixed - E模式和Clocked - E模式选项，以及A和B类型的所有总线宽度选项（8/9/16位数据），C类型的9位（选项1）和8位（选项3）串行接口。不同接口的像素深度有所不同。

九、音频选项

（一）蜂鸣器

ADuCM350的蜂鸣器驱动模块可生成可编程频率的差分方波，驱动外部压电声音组件。频率范围为8 kHz至 ~ 0.25 kHz，使用固定的独立32 kHz（32,768 Hz）时钟源，不受系统时钟变化的影响。定时器允许以4 ms为增量编程音调持续时间，范围为4 ms至1.02秒。支持单音（脉冲）和多音（序列）模式，提供灵活的播放选项。在序列模式下，蜂鸣器可编程播放1至254个音对（2至508个音调）或无限播放（直到用户停止），提供中断以指示蜂鸣的开始或结束、序列的结束或序列即将完成。

（二）I2S

设备支持I2S，I2S端口用于向放大器提供音频数据，驱动小扬声器。ADuCM350的I2S功能包括：高达24位的数据样本、8 kHz至192 kHz的帧时钟、主/从模式、8深度的Tx FIFO、具有地址自动递增的DMA模式、中断模式和下采样传输。