探索MCP3913 ADC評估板：為16位MCU量身打造的開發(fā)利器

在電子工程師的日常工作中，評估和開發(fā)高性能的模擬前端（AFE）是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。Microchip的MCP3913 ADC評估板為16位MCU提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，可用于評估MCP3913六通道AFE的性能，并開發(fā)基于16位微控制器的應(yīng)用。今天，我們就來深入了解一下這款評估板。

文件下載：ADM00522.pdf

一、產(chǎn)品概述

1.1 評估板簡介

MCP3913 ADC評估板系統(tǒng)為評估MCP3913六通道AFE的性能提供了機(jī)會(huì)，同時(shí)也為基于16位微控制器的應(yīng)用提供了開發(fā)平臺(tái)。它采用了現(xiàn)有的100引腳（PIC?）微控制器插件模塊（PIM）系統(tǒng)，與Explorer 16和其他高引腳數(shù)PIC設(shè)備的演示板兼容。

該系統(tǒng)配備了一個(gè)預(yù)編程的PIC24FJ256GA110 PIM模塊，可與能源管理實(shí)用軟件進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和ADC設(shè)置。通過USB連接到評估板，用戶可以使用能源管理實(shí)用軟件對MCP3913進(jìn)行評估。軟件的下載鏈接可在評估板的網(wǎng)頁上找到，使用說明則包含在應(yīng)用安裝包的支持文檔中。

1.2 功能亮點(diǎn)

• 六通道ADC輸出顯示：通過串行通信將MCP3913的輸出顯示到PC軟件界面，方便用戶觀察和分析數(shù)據(jù)。
• 高性能表現(xiàn)：在OSR32地址循環(huán)ALL模式下，可實(shí)現(xiàn)57 ksps的同時(shí)采樣；在OSR512模式下，SINAD可達(dá)95 dB，為高精度測量提供了保障。
• 系統(tǒng)和ADC性能分析：借助圖形化的PC工具，如噪聲直方圖、頻域（FFT）、時(shí)域示波器圖和統(tǒng)計(jì)數(shù)值分析，用戶可以深入了解系統(tǒng)和ADC的性能。
• 穩(wěn)健的硬件設(shè)計(jì)：采用模擬接地和模擬/數(shù)字分離技術(shù)，在四層板上提供獨(dú)立的電源和電源層，有效降低了噪聲，為MCP3913設(shè)備的低噪聲評估提供了良好的環(huán)境。
• 兼容性設(shè)計(jì)：配備PICtail? Plus連接器，與Explorer 16子板兼容，方便用戶進(jìn)行擴(kuò)展和開發(fā)。

1.3 評估板套件內(nèi)容

• MCP3913 ADC評估板（部件編號(hào)ADM00522）
• PIC24FJ256GA110 PIM模塊
• USB電纜
• 重要信息表

二、硬件描述

2.1 PIM模塊/MCP3913連接及外設(shè)使用概述

評估板包含一個(gè)100引腳的PIM插座，與Microchip的PIM模塊兼容。系統(tǒng)配備了一個(gè)PIC24FJ256GA110 PIM模塊。

端口A、D和G用于連接按鈕、輸出LED、CS和(overline{CS})以及MCLR（用于MCP3913數(shù)據(jù)模式設(shè)置）。輸出比較1用于MCP3913的時(shí)鐘生成，串行通信通過MSSP模塊1實(shí)現(xiàn)。

MCP3913是一款具有六個(gè)ADC的AFE，采用二階調(diào)制器和三階sinc濾波器，以及用于更高過采樣率（OSR）值的一階sinc濾波器。delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器的過采樣率可調(diào)，MCP3913的CLKIN引腳為過采樣時(shí)鐘（MCLK）輸入。評估板為MCP3913的主時(shí)鐘（MCLK）提供了兩種選擇：

• 使用晶體X1：評估板上安裝了一個(gè)10 MHz的晶體，通過在MCP3913數(shù)字I/O頭塊上設(shè)置跳線，可將其作為時(shí)鐘源。
• 由PIM模塊驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘：PIC MCU可通過輸出比較模塊OC1為MCP3913生成CLKIN（MCLK）信號(hào)，從而設(shè)置ADC采樣率。OC1輸出的頻率基于固件中的PR1位設(shè)置。

2.2 模擬輸入結(jié)構(gòu)

評估板提供了六個(gè)差分輸入路徑，方便外部信號(hào)源連接到MCP3913的輸入。螺絲端子連接器J1、J4、J7、J21、J23、J25、J27和J29為3引腳連接器，既可以作為螺絲型連接器，也可以作為夾式柱連接器使用。

需要注意的是，若要將螺絲端子連接器作為柱連接器使用，需拉起藍(lán)色塑料頂部以訪問柱子。連接器J1、J4、J7、J21、J23和J25可用于將差分通道轉(zhuǎn)換為單端配置。R4和R11（CH0）、R19和R21（CH1）、R18和R65（CH2）、R69和R71（CH3）、R75和R77（CH4）以及R81和RR83（CH5）可作為任何電流互感器輸入的負(fù)載電阻連接器。

2.3 通用串行總線（USB）

評估板還配備了USB連接，用于將評估板連接到PC。板上的MCP2200 USB轉(zhuǎn)UART轉(zhuǎn)換器可在PC上創(chuàng)建一個(gè)虛擬COM端口。此外，評估板還提供了RS - 232連接器，以防需要使用。RS - 232線路驅(qū)動(dòng)器連接到MCU的相同UART引腳，因此評估板上有一個(gè)3引腳跳線（J16），用于選擇使用USB還是RS - 232進(jìn)行串行通信。

MCP2200由USB提供5V電源，Q1晶體管用于在評估板斷電時(shí)將其與PC斷開，以避免功耗。用戶可以通過更改跳線J9的設(shè)置，選擇評估板的電源來源為USB提供的+5V或外部+9V電源。

由于PIC24F運(yùn)行在3.3V，使用了U11（見附錄A）作為電平轉(zhuǎn)換器，將信號(hào)電平修改為MCP2200所需的5V。為了實(shí)現(xiàn)更高速度的正確波特率，設(shè)計(jì)使用了7.3728 MHz的晶體，波特率設(shè)置為921.6 kbaud，寄存器（U1BRG）值為3（十進(jìn)制）。

三、固件

3.1 PIC24FJ256GA110固件描述

3.1.1 MCU初始化

代碼示例中使用的微控制器是16位XLP的PIC24FJ256GA110，具有16 MIPS的處理能力。該MCU具有可重映射引腳和帶專用時(shí)基的輸出比較功能。

MCU使用7.3278 MHz的晶體作為時(shí)鐘，并通過內(nèi)部PLL將頻率提高四倍。選擇這個(gè)不常見的晶體值是為了即使在高波特率下也能獲得正確的波特率?？芍赜成湟_被配置為使PIM與Explorer 16開發(fā)板兼容。MCP3913通過SPI1端口與MCU連接，ADC時(shí)鐘由OC1提供，MCP3913的DR引腳連接到外部中斷2。

串行數(shù)據(jù)傳輸通過UART2模塊進(jìn)行。發(fā)送時(shí)使用OC2中斷，接收時(shí)使用_U1RX中斷。UART通信速度為921.6 kbaud。OC2用于串行傳輸，以創(chuàng)建短數(shù)據(jù)突發(fā)，以便MCP2200能夠處理。在當(dāng)前波特率下，如果連續(xù)發(fā)送過多字符而沒有時(shí)間間隔，MCP2200可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

需要注意的是，為了使代碼示例正常工作，PIC24FJ256GA110必須是Rev. A5或更新版本。

3.2 數(shù)據(jù)采集

外部中斷2用于檢測MCP3913的轉(zhuǎn)換結(jié)束。在INT2中斷中，使用SPI從ADC讀取數(shù)據(jù)樣本。

當(dāng)開始讀取新緩沖區(qū)時(shí)，啟動(dòng)Timer4。Timer4與Timer5一起設(shè)置為32位定時(shí)器，在緩沖區(qū)滿時(shí)停止，用于測量采樣速度。

在讀取數(shù)據(jù)樣本之前，MCU會(huì)檢查STATUSCOM寄存器中的地址循環(huán)設(shè)置（(READ <1:0> bits)），并相應(yīng)地調(diào)整讀取序列（當(dāng)硬件中地址不自動(dòng)遞增時(shí)，MCU需要在固件中進(jìn)行處理，導(dǎo)致讀取序列變長）。采集的樣本被寫入MCU RAM中創(chuàng)建的六個(gè)長向量中，這些向量分別保存兩個(gè)通道的第一、第二和第三個(gè)字節(jié)。向量長度為2048，Timer 4的值以及ADC內(nèi)部其他寄存器的值存儲(chǔ)在名為“internal_registers[26]”的向量中。

3.3 UART通信協(xié)議

串行連接用于以921.6 kbaud的速度將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，MCP2200用于UART到USB的轉(zhuǎn)換。

通信采用握手方式，即評估板只有在收到PC的命令后才會(huì)向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。UART傳輸由輸出比較模塊OC2觸發(fā)，使數(shù)據(jù)以短突發(fā)的形式發(fā)送到PC，突發(fā)之間有死區(qū)時(shí)間。這種數(shù)據(jù)發(fā)送方式使MCP2200能夠處理高吞吐量。如果以當(dāng)前波特率連續(xù)將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，MCP2200可能無法正確處理數(shù)據(jù)以進(jìn)行USB傳輸。

完成一次完整傳輸后，通過提高UART RX中斷的優(yōu)先級(jí)來啟用該中斷，而其他中斷的優(yōu)先級(jí)較低。在該中斷中，MCU需要接收用戶在PC GUI中設(shè)置的內(nèi)部寄存器的值。

四、附錄

4.1 原理圖和布局

附錄A包含了MCP3913 ADC評估板的各種原理圖和布局圖，包括電源、ADC、微控制器（MCU）、PIM模塊、LCD和UART等部分，以及電路板的頂層走線、底層走線、第二層接地層、第三層電源層、頂層絲印和焊盤、底層絲印和焊盤等。

4.2 物料清單（BOM）

附錄B列出了構(gòu)建MCP3913 ADC評估板所需的所有部件，包括電容、電阻、連接器、晶體、集成電路等。需要注意的是，物料清單中的部件僅為PCB組裝的代表，實(shí)際生產(chǎn)中使用的BOM采用了所有符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的部件。

五、總結(jié)

MCP3913 ADC評估板為電子工程師提供了一個(gè)全面的平臺(tái)，用于評估MCP3913六通道AFE的性能，并開發(fā)基于16位微控制器的應(yīng)用。其豐富的功能亮點(diǎn)、穩(wěn)健的硬件設(shè)計(jì)和詳細(xì)的固件實(shí)現(xiàn)，為工程師們提供了強(qiáng)大的支持。你在使用類似評估板的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。