一款帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機(jī)設(shè)計(jì)

胡子陽(yáng)，譚延軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

一款帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機(jī)設(shè)計(jì)

胡子陽(yáng)，譚延軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

隨著電路系統(tǒng)體積的不斷縮小，應(yīng)用上希望在單個(gè)芯片上嵌入更多的電路功能。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的組合，能夠從相當(dāng)程度上滿足應(yīng)用需求，并有效縮小電路板的體積和重量。研究如何在MCS51單片機(jī)的基礎(chǔ)上，嵌入12位SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。嵌入的難點(diǎn)在于單片機(jī)本身工作在較高的頻率下，自然會(huì)對(duì)A／D的轉(zhuǎn)換精度造成一定影響，并且CMOS的工藝精度只能達(dá)到10位精度的匹配效果，要想達(dá)到12位A／D，必須進(jìn)行修調(diào)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的研究，提出了從SFR區(qū)嵌入A／D控制功能，并利用上電復(fù)位的時(shí)間，從flash加載修調(diào)碼至A／D轉(zhuǎn)換器。結(jié)果顯示，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠有效嵌入單片機(jī)并達(dá)到預(yù)計(jì)精度。

單片機(jī)；CMOS集成電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；逐次逼近；修調(diào)；片上系統(tǒng)

1 引 言

MCS51單片機(jī)是傳統(tǒng)單片機(jī)的主流架構(gòu)，一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用。與之相應(yīng)的是，在要求低功耗等領(lǐng)域，逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器也有廣泛應(yīng)用。并且在很多場(chǎng)合，比如溫度和壓力檢測(cè)等領(lǐng)域，單片機(jī)往往搭配A／D共同使用，這樣就形成了單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的需求［1］。

在工藝制造角度上，單片機(jī)采用帶有flash的CMOS工藝，而A／D轉(zhuǎn)換器也可以采用CMOS設(shè)計(jì)制造，因此單片機(jī)和A／D轉(zhuǎn)換器可以在工藝上同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

2 單片機(jī)架構(gòu)

MCS51單片機(jī)有16位的flash和RAM尋址空間，其中64K的外RAM尋址空間一般用于單片機(jī)和外設(shè)進(jìn)行配合及擴(kuò)展。在存儲(chǔ)器內(nèi)部總線上，單片機(jī)包含256字節(jié)的尋址空間（如圖1所示），這一空間的特點(diǎn)就是直接連接在內(nèi)部總線上，所以操作速度快。單片機(jī)的低128字節(jié)尋址空間被用作程序區(qū)空間，所以這一空間（包含位尋址空間）對(duì)于用戶來(lái)講完全開(kāi)放，因此無(wú)法在此空間進(jìn)行嵌入。單片機(jī)的高128位直接尋址空間，用于存放特殊功能寄存器，又叫特殊功能寄存器區(qū)（SFR）。比如累加器和P1～P3口等寄存器，都通過(guò)直接尋址在此空間找到對(duì)應(yīng)的寄存器。SFR區(qū)可以被直接尋址，并且空間沒(méi)有填滿，所以要想通過(guò)單片機(jī)擴(kuò)展A／D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)SFR擴(kuò)展是最佳選擇［2］。

A／D轉(zhuǎn)換器除了指定嵌入的特殊功能寄存器外，還必須嵌入中斷系統(tǒng)，這樣才能保證A／D轉(zhuǎn)換完成的信息，通過(guò)中斷系統(tǒng)通知單片機(jī)［3］。設(shè)計(jì)中采用了0E6H和0E7H兩個(gè)直接尋址字節(jié)來(lái)控制A／D采樣，并得到A／D輸出。當(dāng)0E6H的bit7位被寫(xiě)1后，A／D即開(kāi)始執(zhí)行一條轉(zhuǎn)換指令，轉(zhuǎn)換完成后，會(huì)觸發(fā)43H處的中斷，并以0E6H的bit6位置1，來(lái)標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束，并且中斷已經(jīng)觸發(fā)。當(dāng)0E6H的bit6位被寫(xiě)0后，A／D可以開(kāi)始下一次轉(zhuǎn)換過(guò)程。轉(zhuǎn)換的結(jié)果，高4位占據(jù)0E6H的bit3～bit0，低8位占據(jù)0E7H。

圖1 MCS51單片機(jī)的地址空間分配

3 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以按結(jié)構(gòu)分成逐次逼近型、Pipeline型和Delta-Sigma型。一般來(lái)講，逐次逼近型速度較低，轉(zhuǎn)換精度最高達(dá)到18位，被廣泛應(yīng)用于低功耗、便攜式領(lǐng)域；Pipe-line型面向高速領(lǐng)域，此領(lǐng)域大多數(shù)配置DSP等高速處理器形成處理系統(tǒng)；Delta-Sigma型在轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要多次采樣，因此面向?qū)Ｓ妙I(lǐng)域，通過(guò)數(shù)字濾波算法來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度，有的可達(dá)32位精度，也可以和單片機(jī)相結(jié)合［4］。

逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器功耗很低而且通用型強(qiáng)，因此首先在嵌入式單片機(jī)領(lǐng)域獲得了廣泛引用。對(duì)于SAR架構(gòu)的A／D轉(zhuǎn)換器，可以選擇電容架構(gòu)和電阻架構(gòu)。因?yàn)榧呻娐饭に嚨木仍?，目前無(wú)論是電容匹配能力還是電阻匹配能力，都只能達(dá)到10位精度，所以選擇電容結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。以方便后期的修調(diào)操作。

傳統(tǒng)意義上采用開(kāi)關(guān)電容實(shí)現(xiàn)逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換，主要依據(jù)開(kāi)關(guān)電容的電荷守恒原理，對(duì)電容充電及電荷再分布兩個(gè)工作階段，對(duì)模擬量進(jìn)行逐次比較，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的逐次逼近系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖2所示［5］。

由圖2可知，若要實(shí)現(xiàn)12位逐次逼近型ADC，需要對(duì)電容進(jìn)行2的冪次方加權(quán)排列，以最低位為單位標(biāo)準(zhǔn)電容，那么最高則需要4096個(gè)單位電容，這就存在一種矛盾。若對(duì)單位電容賦值太低，電路無(wú)法避免噪聲和寄生效應(yīng)帶來(lái)的影響，最終影響ADC的線性度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)12位分辨精度；若對(duì)單位電容賦值太高，整體電容總值過(guò)大，輸入源難以驅(qū)動(dòng)，無(wú)法保證轉(zhuǎn)換速度。因此，傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電容排列不適合應(yīng)用到8位以上的ADC中，而且這種排列占據(jù)了大量的芯片面積，并不符合現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)高集成度、小型化的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 傳統(tǒng)的逐次逼近系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

考慮到盡可能的縮小芯片面積，降低成本，提高芯片性能，采用另一種開(kāi)關(guān)電容排列方式來(lái)實(shí)現(xiàn)逐次逼近轉(zhuǎn)換，其簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

由圖3可知，開(kāi)關(guān)電容分為兩個(gè)陣列，左面陣列實(shí)現(xiàn)高5位逐次逼近，右面陣列實(shí)現(xiàn)低7位逐次逼近，兩個(gè)陣列通過(guò)Cc電容串接，其值主要由高陣列最低位電容、低陣列最低位電容及低陣列寄生電容決定。工作原理與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電容陣列一樣。充電階段，輸入模擬量向電容整體充電，ST開(kāi)關(guān)閉合，Sc開(kāi)關(guān)閉合，符合采樣時(shí)間要求；保持階段，Sc開(kāi)關(guān)打開(kāi)，ST仍閉合；再分布階段，ST開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電路開(kāi)始將采集到的模擬量與電容提供的基準(zhǔn)電壓逐次比較，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼。通過(guò)兩種排列方式比較可以明顯看出，圖4采用更少的開(kāi)關(guān)電容實(shí)現(xiàn)12位逐次逼近的功能，大大縮小了芯片面積，是一種可實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)。

圖3 逐次逼近系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

圖4 帶修調(diào)結(jié)構(gòu)的逐次逼近型A／D結(jié)構(gòu)

電容匹配誤差是限制ADC精度的關(guān)鍵因素。以現(xiàn)階段工藝水平為基準(zhǔn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器僅能實(shí)現(xiàn)10位分辨率，若對(duì)轉(zhuǎn)換速率有更高的要求，需要用更小的單位電容，這個(gè)值可能還要進(jìn)行折衷。在實(shí)現(xiàn)10位以上逐次逼近型ADC的時(shí)候，需要同時(shí)設(shè)計(jì)出一套修調(diào)電路，來(lái)滿足ADC的精度要求。對(duì)ADC精度修調(diào)方式，通常采用附加一定量的電容或電阻陣列，輸入修調(diào)碼，達(dá)到理想設(shè)計(jì)的分辨精度。

帶修調(diào)電路的逐次逼近型模型如圖4所示，電路中主要對(duì)串聯(lián)耦合電容誤差、高4位電容誤差、失調(diào)誤差及增益誤差進(jìn)行修調(diào)［6］。

模型包括12位主電容陣列，4個(gè)高4位電容修調(diào)陣列（C12～C9）。前2位由8位電容組成的陣列進(jìn)行修調(diào)，后2位由7位電容組成的陣列進(jìn)行修調(diào)，修調(diào)范圍±8LSB；1個(gè)耦合電容修調(diào)陣列CP，由7位電容組成的陣列進(jìn)行修調(diào)，修調(diào)范圍±2LSB；1個(gè)失調(diào)誤差陣列OS，由6位電容組成的陣列進(jìn)行修調(diào)，修調(diào)范圍±4LSB；1個(gè)增益誤差陣列GAIN，由8位電容組成的陣列進(jìn)行修調(diào)，修調(diào)范圍±8LSB。

傳統(tǒng)A／D采用熔絲燒結(jié)實(shí)現(xiàn)固定存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)修調(diào)碼。由于單片機(jī)本身帶有flash存儲(chǔ)功能，而且flash里面有512字節(jié)的存儲(chǔ)空間可以用于存儲(chǔ)出廠信息，因此可以用此flash空間，在上電過(guò)程中進(jìn)行加載，以便為A／D電路配置12位精度范圍［7］。

4 單片機(jī)嵌入A／D的總體方案

最終單片機(jī)嵌入A／D的總體方案如圖5所示。通過(guò)內(nèi)部總線，連接SFR區(qū)，并設(shè)置單片機(jī)的兩個(gè)SFR寄存器（0E6H和0E7H），通過(guò)這兩個(gè)寄存器和A／D轉(zhuǎn)換器的控制端相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)A／D的控制。

圖5 單片機(jī)嵌入A／D的總體方案

由于A／D在工藝過(guò)程中，不同的位置會(huì)出現(xiàn)不同的電容匹配。所以對(duì)于每一個(gè)A／D，都需要單片機(jī)首先給出不同的修調(diào)碼修調(diào)，才能達(dá)到精度要求。單片機(jī)在出廠前，首先要進(jìn)行修調(diào)碼的測(cè)試、計(jì)算和寫(xiě)入。在出廠后，單片機(jī)在上電復(fù)位期間，要從flash中調(diào)出8個(gè)字節(jié)，并依次寫(xiě)入修調(diào)陣列，修調(diào)陣列能夠保證把INL、DNL、offset和Gain error的失配降到最低，使之達(dá)到12位的線性度。

5 流片結(jié)果

單片機(jī)采用GSMC 0.18μm帶flash的工藝設(shè)計(jì)加工，整個(gè)芯片達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。A／D修調(diào)前的INL曲線如圖6所示，可以看出電容失配造成的影響，尤其是高位電容失配的影響很大。經(jīng)過(guò)一階修調(diào)算法進(jìn)行的修調(diào)結(jié)果如圖7所示，雖然修調(diào)匹配了電容誤差，但是在2048處形成了較明顯的拐點(diǎn)，證明一階修調(diào)雖然能夠把INL曲線修至1LSB以內(nèi)，但仍有明顯的積分非線性誤差存在。經(jīng)過(guò)二階修調(diào)算法進(jìn)行的修調(diào)結(jié)果如圖8所示，經(jīng)過(guò)二階修調(diào)，通過(guò)修調(diào)電容的整體彌補(bǔ)，使得INL曲線接近理想狀態(tài)［8］。

圖6 未經(jīng)修調(diào)的INL曲線

圖7 采用一階修調(diào)算法得到的INL修調(diào)曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

逐次逼近型A／D和單片機(jī)的結(jié)合，目前能夠見(jiàn)到的主流器件，基本上只達(dá)到12位的水平。但是從本文的方法上看，該架構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)14位A／D的水平。但是如果希望達(dá)到16位的嵌入水平，就需要A／D轉(zhuǎn)換器采用新的架構(gòu)調(diào)節(jié)方式。單片機(jī)不僅限于MCS51單片機(jī)，對(duì)于32位的ARM單片機(jī)，也可采用同樣的方法嵌入A／D轉(zhuǎn)換器。

圖8 采用二階修調(diào)算法得到的INL曲線

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A Microcontroller W ith On-chip A／D Converter

Hu Ziyang，Tian Yanjun
（The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

With the size reduction in electronic system，the requirement ofmore functions integrated into a single chip is produced.So analog to digital converter combining with microcontroller will be used in more applications，such as reducing the size and weight.A way to embed a 12 bit SAR A／D converter into MCS51 microcontroller is discussed.The difficulties are made from the Microcontroller＇s working speed and CMOS process precision.The designmust be fixable if12 bit precision needs to be achieved. A／D control circuit is embedded in SFR，and the fixed code is transferred from flash by means of reset timing.Test result shows that 12 bit A／D converter can be embedded into microcontroller and get the aimed precision.

Microcontroller；CMOS；A／D converter；SAR；Fix；SOC

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.002

TN47

B

1002-2279（2016）06-0005-04

胡子陽(yáng)（1978-），男，遼寧省鐵嶺市人，高級(jí)工程師，碩士，主研方向：集成電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2016-01-25