一款帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機設計

胡子陽，譚延軍

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

一款帶模數(shù)轉(zhuǎn)換的單片機設計

胡子陽，譚延軍

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

隨著電路系統(tǒng)體積的不斷縮小，應用上希望在單個芯片上嵌入更多的電路功能。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機的組合，能夠從相當程度上滿足應用需求，并有效縮小電路板的體積和重量。研究如何在MCS51單片機的基礎(chǔ)上，嵌入12位SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。嵌入的難點在于單片機本身工作在較高的頻率下，自然會對A／D的轉(zhuǎn)換精度造成一定影響，并且CMOS的工藝精度只能達到10位精度的匹配效果，要想達到12位A／D，必須進行修調(diào)設計。通過對單片機內(nèi)部的研究，提出了從SFR區(qū)嵌入A／D控制功能，并利用上電復位的時間，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并達到預計精度。

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

在工藝制造角度上，單片機采用帶有flash的CMOS工藝，而A／D轉(zhuǎn)換器也可以采用CMOS設計制造，因此單片機和A／D轉(zhuǎn)換器可以在工藝上同時實現(xiàn)。

2 單片機架構(gòu)

MCS51單片機有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和外設進行配合及擴展。在存儲器內(nèi)部總線上，單片機包含256字節(jié)的尋址空間（如圖1所示），這一空間的特點就是直接連接在內(nèi)部總線上，所以操作速度快。單片機的低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）對于用戶來講完全開放，因此無法在此空間進行嵌入。單片機的高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，都通過直接尋址在此空間找到對應的寄存器。SFR區(qū)可以被直接尋址，并且空間沒有填滿，所以要想通過單片機擴展A／D轉(zhuǎn)換器，通過SFR擴展是最佳選擇［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，通過中斷系統(tǒng)通知單片機［3］。設計中采用了0E6H和0E7H兩個直接尋址字節(jié)來控制A／D采樣，并得到A／D輸出。當0E6H的bit7位被寫1后，A／D即開始執(zhí)行一條轉(zhuǎn)換指令，轉(zhuǎn)換完成后，會觸發(fā)43H處的中斷，并以0E6H的bit6位置1，來標識轉(zhuǎn)換結(jié)束，并且中斷已經(jīng)觸發(fā)。當0E6H的bit6位被寫0后，A／D可以開始下一次轉(zhuǎn)換過程。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單片機的地址空間分配

3 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分設計

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。一般來講，逐次逼近型速度較低，轉(zhuǎn)換精度最高達到18位，被廣泛應用于低功耗、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)換過程中需要多次采樣，因此面向?qū)Ｓ妙I(lǐng)域，通過數(shù)字濾波算法來實現(xiàn)高精度，有的可達32位精度，也可以和單片機相結(jié)合［4］。

逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器功耗很低而且通用型強，因此首先在嵌入式單片機領(lǐng)域獲得了廣泛引用。對于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)。因為集成電路工藝的精度原因，目前無論是電容匹配能力還是電阻匹配能力，都只能達到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)意義上采用開關(guān)電容實現(xiàn)逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換，主要依據(jù)開關(guān)電容的電荷守恒原理，對電容充電及電荷再分布兩個工作階段，對模擬量進行逐次比較，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的逐次逼近系統(tǒng)的簡化模型如圖2所示［5］。

由圖2可知，若要實現(xiàn)12位逐次逼近型ADC，需要對電容進行2的冪次方加權(quán)排列，以最低位為單位標準電容，那么最高則需要4096個單位電容，這就存在一種矛盾。若對單位電容賦值太低，電路無法避免噪聲和寄生效應帶來的影響，最終影響ADC的線性度，無法實現(xiàn)12位分辨精度；若對單位電容賦值太高，整體電容總值過大，輸入源難以驅(qū)動，無法保證轉(zhuǎn)換速度。因此，傳統(tǒng)的開關(guān)電容排列不適合應用到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)代芯片設計高集成度、小型化的發(fā)展趨勢。

圖2 傳統(tǒng)的逐次逼近系統(tǒng)簡化模型

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

由圖3可知，開關(guān)電容分為兩個陣列，左面陣列實現(xiàn)高5位逐次逼近，右面陣列實現(xiàn)低7位逐次逼近，兩個陣列通過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開關(guān)閉合，Sc開關(guān)閉合，符合采樣時間要求；保持階段，Sc開關(guān)打開，ST仍閉合；再分布階段，ST開關(guān)打開，電路開始將采集到的模擬量與電容提供的基準電壓逐次比較，最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字碼。通過兩種排列方式比較可以明顯看出，圖4采用更少的開關(guān)電容實現(xiàn)12位逐次逼近的功能，大大縮小了芯片面積，是一種可實現(xiàn)的架構(gòu)。

圖3 逐次逼近系統(tǒng)簡化模型

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，模數(shù)轉(zhuǎn)換器僅能實現(xiàn)10位分辨率，若對轉(zhuǎn)換速率有更高的要求，需要用更小的單位電容，這個值可能還要進行折衷。在實現(xiàn)10位以上逐次逼近型ADC的時候，需要同時設計出一套修調(diào)電路，來滿足ADC的精度要求。對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，達到理想設計的分辨精度。

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)誤差及增益誤差進行修調(diào)［6］。

模型包括12位主電容陣列，4個高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行修調(diào)，后2位由7位電容組成的陣列進行修調(diào)，修調(diào)范圍±8LSB；1個耦合電容修調(diào)陣列CP，由7位電容組成的陣列進行修調(diào)，修調(diào)范圍±2LSB；1個失調(diào)誤差陣列OS，由6位電容組成的陣列進行修調(diào)，修調(diào)范圍±4LSB；1個增益誤差陣列GAIN，由8位電容組成的陣列進行修調(diào)，修調(diào)范圍±8LSB。

傳統(tǒng)A／D采用熔絲燒結(jié)實現(xiàn)固定存儲器來存儲修調(diào)碼。由于單片機本身帶有flash存儲功能，而且flash里面有512字節(jié)的存儲空間可以用于存儲出廠信息，因此可以用此flash空間，在上電過程中進行加載，以便為A／D電路配置12位精度范圍［7］。

4 單片機嵌入A／D的總體方案

最終單片機嵌入A／D的總體方案如圖5所示。通過內(nèi)部總線，連接SFR區(qū)，并設置單片機的兩個SFR寄存器（0E6H和0E7H），通過這兩個寄存器和A／D轉(zhuǎn)換器的控制端相連，實現(xiàn)單片機對A／D的控制。

圖5 單片機嵌入A／D的總體方案

由于A／D在工藝過程中，不同的位置會出現(xiàn)不同的電容匹配。所以對于每一個A／D，都需要單片機首先給出不同的修調(diào)碼修調(diào)，才能達到精度要求。單片機在出廠前，首先要進行修調(diào)碼的測試、計算和寫入。在出廠后，單片機在上電復位期間，要從flash中調(diào)出8個字節(jié)，并依次寫入修調(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，使之達到12位的線性度。

5 流片結(jié)果

單片機采用GSMC 0.18μm帶flash的工藝設計加工，整個芯片達到了預期目標。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)過一階修調(diào)算法進行的修調(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，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)過二階修調(diào)算法進行的修調(diào)結(jié)果如圖8所示，經(jīng)過二階修調(diào)，通過修調(diào)電容的整體彌補，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

逐次逼近型A／D和單片機的結(jié)合，目前能夠見到的主流器件，基本上只達到12位的水平。但是從本文的方法上看，該架構(gòu)也可實現(xiàn)14位A／D的水平。但是如果希望達到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。單片機不僅限于MCS51單片機，對于32位的ARM單片機，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（1978-），男，遼寧省鐵嶺市人，高級工程師，碩士，主研方向：集成電路設計與應用。

2016-01-25