ADuCM350：高精度、低功耗的片上儀表解決方案

在當今的電子設(shè)備設(shè)計中，對于高精度、低功耗且功能豐富的芯片需求日益增長。ADuCM350作為一款完整的、由硬幣電池供電的高精度片上儀表，為便攜式設(shè)備應(yīng)用提供了出色的解決方案。本文將深入介紹ADuCM350的特點、規(guī)格、性能以及應(yīng)用等方面，幫助電子工程師更好地了解和應(yīng)用這款芯片。

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一、產(chǎn)品概述

ADuCM350專為便攜式設(shè)備應(yīng)用而設(shè)計，適用于即時診斷和監(jiān)測生命體征的可穿戴設(shè)備等。它具備高精度的電流、電壓和阻抗測量能力，其模擬前端（AFE）集成了16位、160 kSPS的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、0.17%精度的電壓基準、12位無失碼數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及可重構(gòu)的超低泄漏開關(guān)矩陣。同時，它還搭載了基于ARM? Cortex - M3的處理器、內(nèi)存和各種I/O連接，支持帶顯示、USB通信和有源傳感器的便攜式儀表。該芯片采用120引腳、8 mm × 8 mm的CSP_BGA封裝，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C。

二、關(guān)鍵特性

（一）模擬性能

1. 高精度ADC：160 kSPS、16位的ADC，提供4個專用電壓測量通道和8個電流測量通道，能夠滿足多種測量需求。
2. 阻抗測量引擎：可實現(xiàn)復雜的阻抗測量，為相關(guān)應(yīng)用提供準確的數(shù)據(jù)。
3. 高精密電壓基準：具有高精度的電壓基準，確保測量的準確性。
4. 超低泄漏開關(guān)矩陣：可配置的超低泄漏開關(guān)矩陣，減少測量誤差。
5. 其他模擬組件：還包括12位DAC、精密儀表放大器控制回路、6通道CapTouch控制器、溫度傳感器等，豐富了芯片的模擬功能。

（二）處理能力

1. 處理器：采用16 MHz的ARM Cortex - M3處理器，具備較強的處理能力。
2. 內(nèi)存：擁有384 kB的嵌入式閃存、32 kB系統(tǒng)SRAM和16 kB閃存配置的EEPROM，滿足數(shù)據(jù)存儲和程序運行的需求。
3. 通信接口：集成全速USB 2.0控制器和PHY，以及SPI、I2C、UART等多種外設(shè)接口，方便與其他設(shè)備進行通信。

（三）電源管理

1. 電源兼容性：與硬幣電池兼容，工作電壓范圍為2.5 V至3.6 V，適合便攜式設(shè)備的電源需求。
2. 電源管理單元（PMU）：提供多種電源模式，包括動態(tài)和軟件控制的時鐘門控和電源門控，支持極低的動態(tài)和休眠功耗管理。
3. 電源監(jiān)測：具備電源上電復位（POR）和電源供應(yīng)監(jiān)測（PSM）功能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

三、規(guī)格參數(shù)

（一）模擬前端規(guī)格

1. AFE LDO規(guī)格：輸出電壓為1.71 - 1.89 V，壓差典型值為150 mV，具有良好的線性和負載調(diào)節(jié)能力。
2. 高精度內(nèi)部參考規(guī)格：ADC和DAC的參考電壓精度高，溫度系數(shù)小，確保在不同溫度環(huán)境下的測量準確性。
3. DAC/RCF/PGA規(guī)格：DAC輸出范圍為 - 600至 + 600 mV，分辨率為12位，具有良好的線性度和精度。
4. 開關(guān)矩陣規(guī)格：不同類型的開關(guān)具有不同的導通電阻和泄漏電流，滿足不同的應(yīng)用需求。
5. 跨阻放大器規(guī)格：最大電流吸收/源為 ± 5 mA，具備短路保護功能。
6. ADC規(guī)格：輸入范圍無失碼，DNL和INL指標良好，采樣率為160 kSPS，3 dB帶寬為54 kHz。
7. 溫度傳感器規(guī)格：在0°C至50°C范圍內(nèi)精度為 ± 1°C，在 - 40°C至 + 85°C范圍內(nèi)精度為 ± 2°C。
8. CapTouch規(guī)格：核心分辨率為14位，核心SNR為60 dB，更新速率可編程。
9. DFT - 基于阻抗測量規(guī)格：阻抗測量的精度和精度較高，幅度和相位的標準偏差較小。

（二）數(shù)字平臺規(guī)格

1. 數(shù)字LDO規(guī)格：輸出電壓為1.71 - 1.89 V，壓差典型值為150 mV，上電時間為42 μs。
2. 低功耗LDO規(guī)格：輸出電壓穩(wěn)定，具有良好的線性和負載調(diào)節(jié)能力。
3. 閃存規(guī)格：具有20,000次的擦寫壽命，擦除時間為20 ms，編程時間為20 μs，數(shù)據(jù)保留時間為100年。
4. 數(shù)字輸入/輸出規(guī)格：指定引腳的電源范圍為2.5 V至3.6 V，功能引腳的電源范圍為1.65 V至2.5 V，具有不同的輸入輸出電壓和阻抗特性。
5. 通用串行總線規(guī)格：輸入電壓范圍為3.6 - 5.25 V，調(diào)節(jié)輸出電壓為3.2 - 3.4 V，滿足USB 2.0的電氣測試要求。

（三）系統(tǒng)時鐘/定時器規(guī)格

1. 平臺外部晶體振蕩器規(guī)格：提供低頻和高頻兩種晶體振蕩器，頻率分別為32,768 Hz和8或16 MHz。
2. 片上RC振蕩器規(guī)格：高頻RC振蕩器頻率為16 MHz，精度為 ± 5%，啟動時間為35 μs；低頻RC振蕩器頻率為32,768 Hz，精度為 ± 20%，啟動時間為980 μs。
3. PLL規(guī)格：系統(tǒng)PLL和USB PLL提供穩(wěn)定的時鐘輸出，具有較低的抖動。
4. 看門狗、喚醒和通用定時器規(guī)格：不同類型的定時器具有不同的超時周期和功能，可滿足不同的應(yīng)用需求。

（四）電源管理規(guī)格

1. 電源供應(yīng)規(guī)格：包括VCCM_ANA、VCCM_DIG、VBACK、VBUS、VDD_IO和VLCDVDD等電源引腳的電壓范圍。
2. 電源供應(yīng)監(jiān)測規(guī)格：對VCCM、VRTC和VBACK等電源進行監(jiān)測，具有電壓檢測范圍、滯后和跳變點檢測精度等參數(shù)。
3. 涓流充電器規(guī)格：充電電流為0.48 mA，反向電流小于1 μA，正向電壓為40 - 120 mV。

（五）時序特性規(guī)格

1. LCD段/公共時序規(guī)格：不同的FRAMESEL設(shè)置對應(yīng)不同的LCD幀速率和頻率。
2. I2C時序規(guī)格：在快速模式（400 kHz）和標準模式（100 kHz）下具有不同的時鐘脈沖寬度、數(shù)據(jù)設(shè)置時間和保持時間等參數(shù)。
3. I2S時序規(guī)格：主發(fā)送器和從接收器具有不同的時鐘周期、高/低周期、數(shù)據(jù)延遲和保持時間等參數(shù)。
4. SPI時序規(guī)格：主模式和從模式下具有不同的時鐘脈沖寬度、數(shù)據(jù)輸出有效時間和數(shù)據(jù)輸入設(shè)置時間等參數(shù)。

四、典型性能特性

文檔中提供了一系列典型性能特性的圖表，包括ALDO、VREF、REF_EXCITE和VBIAS的線路和負載調(diào)節(jié)特性，ADC和DAC的INL和DNL特性，接收通道抗混疊濾波器的滾降特性，噪聲頻譜密度，DAC的建立時間，阻抗測量的幅度和相位精度，CapTouch的線性度和SNR，以及GPIO的VOH和VOL特性等。這些特性直觀地展示了ADuCM350在不同方面的性能表現(xiàn)。

五、模擬前端

（一）激勵階段

激勵/發(fā)射階段由一個12位DAC、激勵緩沖器和反饋路徑中的儀表放大器組成，可在待測量的阻抗上施加精確的電壓，消除測量系統(tǒng)中的寄生效應(yīng)。所有測量都參考一個精密外部電阻，用于內(nèi)部校準環(huán)路，確保未知阻抗上無直流偏置。用戶可以根據(jù)應(yīng)用需求優(yōu)化校準電阻（RCAL）、激勵波形的交流幅度和電流 - 電壓（IV）電阻，以測量80 Hz至 ~ 75 kHz范圍內(nèi)的阻抗。開關(guān)矩陣提供34個用戶可選開關(guān)，具有良好的電流承載能力，可實現(xiàn)自校準功能，減輕工廠校準的負擔，消除溫度和老化引起的測量誤差。

（二）測量階段

AFE包含一個多路復用輸入、160 kSPS、16位的ADC，具有4個專用電壓測量通道和最多8個多路復用電流測量通道，使用片上跨阻放大器。多路復用通道在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前進行濾波和差分緩沖。ADC數(shù)據(jù)可以通過三種方式進行查詢：原始數(shù)據(jù)（160 kSPS）、50 Hz/60 Hz濾波器輸出（900 SPS）和離散傅里葉變換（DFT）引擎。功率線濾波器具有快速穩(wěn)定的特性，僅需36.6 ms即可穩(wěn)定。DFT引擎執(zhí)行2048點單頻離散傅里葉變換，將16位ADC輸出轉(zhuǎn)換為具有實部和虛部的復阻抗，提供79.5 Hz的信號能量帶寬，有效抑制干擾。

（三）AFE控制

AFE可以通過MMR由ARM Cortex - M3控制，所有AFE內(nèi)部模塊都可以通過MMR寄存器進行完全控制和觀察。可以通過AHB總線或可編程序列器間接訪問MMR。有兩個專用的DMA通道，減輕了ARM Cortex - M3管理數(shù)據(jù)和控制FIFO的負擔。序列器處理低級別AFE操作，允許AFE獨立執(zhí)行功能，異步于核心進行精確的AFE測量。用戶可以使用波形發(fā)生器塊創(chuàng)建參數(shù)化波形，如梯形或正弦波，通過AFE序列器和DMA傳輸實現(xiàn)任意波形。

（四）CapTouch特性

ADuCM350集成了電容式觸摸子系統(tǒng)，可與多達6個電容式觸摸通道以自電容模式接口，無需外部組件即可實現(xiàn)高性能電容傳感。傳感器輸入配置靈活，采用多種技術(shù)確保外部傳感器不會產(chǎn)生誤觸。CapTouch核心包含多種算法，如中值和平均濾波測量，以及可配置的激勵頻率和占空比，以減少系統(tǒng)噪聲拾取。子系統(tǒng)還包括自定時器和觸摸 - 釋放例程，優(yōu)化功耗并減輕ARM Cortex - M3的計算負擔。

六、微子系統(tǒng)

（一）內(nèi)存

ADuCM350提供多種內(nèi)存選項，包括384 kB閃存、16 kB用于EEPROM仿真的閃存、2 kB用戶信息、32 kB SRAM和2 kB用于USB端點的專用SRAM。閃存通過閃存控制器訪問，支持自動簽名檢查、用戶簽名、奇偶校驗等功能，具有20,000次的擦寫壽命和100年的數(shù)據(jù)保留時間。

（二）調(diào)試能力

支持4線JTAG調(diào)試（JTAG）接口和2線串行調(diào)試（SWD）接口，集成了ARM Cortex - M3的完整嵌入式跟蹤功能，可實現(xiàn)代碼分析、系統(tǒng)性能分析和調(diào)試。

（三）可編程GPIO

具有66個GPIO引腳，大多數(shù)引腳具有多個可配置功能，可配置為輸入/輸出，并具有可編程上拉或下拉電阻。所有I/O引腳在整個電源范圍（VBAT = 1.8 V至3.6 V）內(nèi)都能正常工作。在節(jié)能模式下，GPIO引腳保持狀態(tài)，復位時為三態(tài)，防止總線干擾。

（四）定時器

1. 通用定時器：有三個相同的通用定時器，每個定時器具有16位的向上/向下計數(shù)器，可從四個用戶可選時鐘源中選擇時鐘，并可通過預分頻器進行縮放。
2. 看門狗定時器（WDT）：是一個16位的向下計數(shù)器，具有可編程預分頻器，可由32 kHz晶體振蕩器（LFXTAL）或32 kHz片上振蕩器（LFOSC）時鐘驅(qū)動，用于從非法軟件狀態(tài)中恢復。
3. 喚醒定時器（WUT）：由一個32位計數(shù)器組成，可由32 kHz外部晶體（LFXTAL）、32 kHz內(nèi)部振蕩器（LFOSC）或外設(shè)時鐘（PCLK）時鐘驅(qū)動，所選時鐘源可進行縮放。

（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。集成的調(diào)節(jié)器由VBUS供電，為USB PHY提供電源。有一個專用的PLL，可提供60 MHz的時鐘。支持批量、等時、中斷和控制模式，具有七個硬件端點和專用的2通道DMA，支持掛起和喚醒功能。控制器硬件由一套完整的USB設(shè)備類驅(qū)動程序補充，使用Micrium堆棧提供完整的USB功能，需要系統(tǒng)上運行RTOS。

七、電源管理和時鐘

（一）電源模式

PMU提供對ADuCM350電源模式的控制，允許ARM Cortex - M3控制時鐘和電源門控，以降低動態(tài)功耗和休眠功耗。有四種電源模式：

1. 活動模式：所有外設(shè)均可啟用，通過優(yōu)化時鐘管理來管理活動功耗。
2. 核心睡眠模式：核心時鐘門控，但系統(tǒng)其余部分仍處于活動狀態(tài)，此模式下無法執(zhí)行指令，但DMA傳輸可在外部設(shè)備和內(nèi)存之間繼續(xù)進行。
3. 系統(tǒng)睡眠模式：大多數(shù)外設(shè)時鐘門控，不再可由用戶編程，中斷控制器保持活動，NVIC處理有限數(shù)量源的喚醒事件。
4. 休眠模式：保留有限狀態(tài)，有限數(shù)量的喚醒中斷，RTC處于活動狀態(tài)。 此外，設(shè)備還有備份模式，通過超級電容器為RTC和相關(guān)電路提供最小電源，使用80 mF電容器時RTC可運行超過12小時。

（二）電源管理

ADuCM350具有集成的電源管理系統(tǒng)，包括集成的模擬和數(shù)字LDO（調(diào)節(jié)至1.8 V）、高性能AFE測量（2.5 V至3.6 V）、集成的電源開關(guān)（用于休眠模式下的低待機電流）、集成的智能二極管涓流充電器（用于備份模式下的超級電容器）、專用的VDDIO電壓（通過九個GPIO引腳）、專用的USB收發(fā)器調(diào)節(jié)器和專用的監(jiān)控電路（確保故障安全運行）。

（三）時鐘

片上有兩個振蕩器和兩個外部晶體的驅(qū)動電路，包括32 kHz內(nèi)部振蕩器（LFOSC）、16 MHz內(nèi)部振蕩器（HFOSC）、32 kHz外部晶體振蕩器（LFXTAL）和16 MHz外部晶體振蕩器（HFXTAL）。支持8 MHz或16 MHz諧振電路，HF RC振蕩器精度為 ± 5%，低抖動時鐘源用于精確的AFE測量。USB要求頻率精度為 ± 200 ppm，USB控制邏輯必須以 > 30 MHz的時鐘驅(qū)動，USB PHY需要60 MHz的時鐘。低頻時鐘針對超低功耗應(yīng)用進行了優(yōu)化，RTC需要激活32.768 kHz XTAL，使用充滿電的0.08 F超級電容器可運行12小時。

（四）實時時鐘

RTC包含一個低功耗晶體振蕩電路，與32,768 Hz外部晶體配合使用。在25°C時，使用10 ppm晶體類負載電容器可實現(xiàn)25 ppm的計時性能。RTC具有32位計數(shù)寄存器、預分頻器、鬧鐘和中斷標志以及數(shù)字微調(diào)功能。

八、顯示選項

（一）LCD段顯示驅(qū)動和控制器

ADuCM350包含一個片上LCD控制器，可直接驅(qū)動LCD面板，有36個引腳用于LCD功能。支持驅(qū)動多達128個段，以及可選的多路復用選項，包括靜態(tài)選項（一個背板 × 32個前板）和4× mux選項（四個背板 × 32個前板）。還支持使用內(nèi)部電荷泵電路生成的LCD波形電壓，支持2.4 V至3.6 V的LCD，可編程幀速率，在幀邊界生成中斷（用于更新LCD數(shù)據(jù)），以及LCD幀時鐘（由板載32 kHz晶體生成）。

（二）LCD顯示控制器選項

LCD控制器還能夠驅(qū)動外部LCD顯示模塊，有25個引腳用于顯示接口，支持高達16位的數(shù)據(jù)傳輸。支持MIPI DBI規(guī)范版本2.0的A、B、C類型，具體包括A類型接口的Fixed - E模式和Clocked - E模式選項，以及A和B類型的所有總線寬度選項（8/9/16位數(shù)據(jù)），C類型的9位（選項1）和8位（選項3）串行接口。不同接口的像素深度有所不同。

九、音頻選項

（一）蜂鳴器

ADuCM350的蜂鳴器驅(qū)動模塊可生成可編程頻率的差分方波，驅(qū)動外部壓電聲音組件。頻率范圍為8 kHz至 ~ 0.25 kHz，使用固定的獨立32 kHz（32,768 Hz）時鐘源，不受系統(tǒng)時鐘變化的影響。定時器允許以4 ms為增量編程音調(diào)持續(xù)時間，范圍為4 ms至1.02秒。支持單音（脈沖）和多音（序列）模式，提供靈活的播放選項。在序列模式下，蜂鳴器可編程播放1至254個音對（2至508個音調(diào)）或無限播放（直到用戶停止），提供中斷以指示蜂鳴的開始或結(jié)束、序列的結(jié)束或序列即將完成。

（二）I2S

設(shè)備支持I2S，I2S端口用于向放大器提供音頻數(shù)據(jù)，驅(qū)動小揚聲器。ADuCM350的I2S功能包括：高達24位的數(shù)據(jù)樣本、8 kHz至192 kHz的幀時鐘、主/從模式、8深度的Tx FIFO、具有地址自動遞增的DMA模式、中斷模式和下采樣傳輸。