一款带模数转换的单片机设计

胡子阳，谭延军

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

一款带模数转换的单片机设计

胡子阳，谭延军

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

随着电路系统体积的不断缩小，应用上希望在单个芯片上嵌入更多的电路功能。而模数转换器和单片机的组合，能够从相当程度上满足应用需求，并有效缩小电路板的体积和重量。研究如何在MCS51单片机的基础上，嵌入12位SAR型模数转换器。嵌入的难点在于单片机本身工作在较高的频率下，自然会对A／D的转换精度造成一定影响，并且CMOS的工艺精度只能达到10位精度的匹配效果，要想达到12位A／D，必须进行修调设计。通过对单片机内部的研究，提出了从SFR区嵌入A／D控制功能，并利用上电复位的时间，从flash加载修调码至A／D转换器。结果显示，12位模数转换器能够有效嵌入单片机并达到预计精度。

单片机；CMOS集成电路；模数转换器；逐次逼近；修调；片上系统

1 引 言

MCS51单片机是传统单片机的主流架构，一直以来被广泛应用。与之相应的是，在要求低功耗等领域，逐次逼近型模数转换器也有广泛应用。并且在很多场合，比如温度和压力检测等领域，单片机往往搭配A／D共同使用，这样就形成了单片机和模数转换器相结合的需求［1］。

在工艺制造角度上，单片机采用带有flash的CMOS工艺，而A／D转换器也可以采用CMOS设计制造，因此单片机和A／D转换器可以在工艺上同时实现。

2 单片机架构

MCS51单片机有16位的flash和RAM寻址空间，其中64K的外RAM寻址空间一般用于单片机和外设进行配合及扩展。在存储器内部总线上，单片机包含256字节的寻址空间（如图1所示），这一空间的特点就是直接连接在内部总线上，所以操作速度快。单片机的低128字节寻址空间被用作程序区空间，所以这一空间（包含位寻址空间）对于用户来讲完全开放，因此无法在此空间进行嵌入。单片机的高128位直接寻址空间，用于存放特殊功能寄存器，又叫特殊功能寄存器区（SFR）。比如累加器和P1～P3口等寄存器，都通过直接寻址在此空间找到对应的寄存器。SFR区可以被直接寻址，并且空间没有填满，所以要想通过单片机扩展A／D转换器，通过SFR扩展是最佳选择［2］。

A／D转换器除了指定嵌入的特殊功能寄存器外，还必须嵌入中断系统，这样才能保证A／D转换完成的信息，通过中断系统通知单片机［3］。设计中采用了0E6H和0E7H两个直接寻址字节来控制A／D采样，并得到A／D输出。当0E6H的bit7位被写1后，A／D即开始执行一条转换指令，转换完成后，会触发43H处的中断，并以0E6H的bit6位置1，来标识转换结束，并且中断已经触发。当0E6H的bit6位被写0后，A／D可以开始下一次转换过程。转换的结果，高4位占据0E6H的bit3～bit0，低8位占据0E7H。

图1 MCS51单片机的地址空间分配

3 模数转换部分设计

模数转换器可以按结构分成逐次逼近型、Pipeline型和Delta-Sigma型。一般来讲，逐次逼近型速度较低，转换精度最高达到18位，被广泛应用于低功耗、便携式领域；Pipe-line型面向高速领域，此领域大多数配置DSP等高速处理器形成处理系统；Delta-Sigma型在转换过程中需要多次采样，因此面向专用领域，通过数字滤波算法来实现高精度，有的可达32位精度，也可以和单片机相结合［4］。

逐次逼近型A／D转换器功耗很低而且通用型强，因此首先在嵌入式单片机领域获得了广泛引用。对于SAR架构的A／D转换器，可以选择电容架构和电阻架构。因为集成电路工艺的精度原因，目前无论是电容匹配能力还是电阻匹配能力，都只能达到10位精度，所以选择电容结构的模数转换器。以方便后期的修调操作。

传统意义上采用开关电容实现逐次逼近式模数转换，主要依据开关电容的电荷守恒原理，对电容充电及电荷再分布两个工作阶段，对模拟量进行逐次比较，最终实现数据转换。传统的逐次逼近系统的简化模型如图2所示［5］。

由图2可知，若要实现12位逐次逼近型ADC，需要对电容进行2的幂次方加权排列，以最低位为单位标准电容，那么最高则需要4096个单位电容，这就存在一种矛盾。若对单位电容赋值太低，电路无法避免噪声和寄生效应带来的影响，最终影响ADC的线性度，无法实现12位分辨精度；若对单位电容赋值太高，整体电容总值过大，输入源难以驱动，无法保证转换速度。因此，传统的开关电容排列不适合应用到8位以上的ADC中，而且这种排列占据了大量的芯片面积，并不符合现代芯片设计高集成度、小型化的发展趋势。

图2 传统的逐次逼近系统简化模型

考虑到尽可能的缩小芯片面积，降低成本，提高芯片性能，采用另一种开关电容排列方式来实现逐次逼近转换，其简化模型如图3所示。

由图3可知，开关电容分为两个阵列，左面阵列实现高5位逐次逼近，右面阵列实现低7位逐次逼近，两个阵列通过Cc电容串接，其值主要由高阵列最低位电容、低阵列最低位电容及低阵列寄生电容决定。工作原理与传统的开关电容阵列一样。充电阶段，输入模拟量向电容整体充电，ST开关闭合，Sc开关闭合，符合采样时间要求；保持阶段，Sc开关打开，ST仍闭合；再分布阶段，ST开关打开，电路开始将采集到的模拟量与电容提供的基准电压逐次比较，最终转换成数字码。通过两种排列方式比较可以明显看出，图4采用更少的开关电容实现12位逐次逼近的功能，大大缩小了芯片面积，是一种可实现的架构。

图3 逐次逼近系统简化模型

图4 带修调结构的逐次逼近型A／D结构

电容匹配误差是限制ADC精度的关键因素。以现阶段工艺水平为基准，模数转换器仅能实现10位分辨率，若对转换速率有更高的要求，需要用更小的单位电容，这个值可能还要进行折衷。在实现10位以上逐次逼近型ADC的时候，需要同时设计出一套修调电路，来满足ADC的精度要求。对ADC精度修调方式，通常采用附加一定量的电容或电阻阵列，输入修调码，达到理想设计的分辨精度。

带修调电路的逐次逼近型模型如图4所示，电路中主要对串联耦合电容误差、高4位电容误差、失调误差及增益误差进行修调［6］。

模型包括12位主电容阵列，4个高4位电容修调阵列（C12～C9）。前2位由8位电容组成的阵列进行修调，后2位由7位电容组成的阵列进行修调，修调范围±8LSB；1个耦合电容修调阵列CP，由7位电容组成的阵列进行修调，修调范围±2LSB；1个失调误差阵列OS，由6位电容组成的阵列进行修调，修调范围±4LSB；1个增益误差阵列GAIN，由8位电容组成的阵列进行修调，修调范围±8LSB。

传统A／D采用熔丝烧结实现固定存储器来存储修调码。由于单片机本身带有flash存储功能，而且flash里面有512字节的存储空间可以用于存储出厂信息，因此可以用此flash空间，在上电过程中进行加载，以便为A／D电路配置12位精度范围［7］。

4 单片机嵌入A／D的总体方案

最终单片机嵌入A／D的总体方案如图5所示。通过内部总线，连接SFR区，并设置单片机的两个SFR寄存器（0E6H和0E7H），通过这两个寄存器和A／D转换器的控制端相连，实现单片机对A／D的控制。

图5 单片机嵌入A／D的总体方案

由于A／D在工艺过程中，不同的位置会出现不同的电容匹配。所以对于每一个A／D，都需要单片机首先给出不同的修调码修调，才能达到精度要求。单片机在出厂前，首先要进行修调码的测试、计算和写入。在出厂后，单片机在上电复位期间，要从flash中调出8个字节，并依次写入修调阵列，修调阵列能够保证把INL、DNL、offset和Gain error的失配降到最低，使之达到12位的线性度。

5 流片结果

单片机采用GSMC 0.18μm带flash的工艺设计加工，整个芯片达到了预期目标。A／D修调前的INL曲线如图6所示，可以看出电容失配造成的影响，尤其是高位电容失配的影响很大。经过一阶修调算法进行的修调结果如图7所示，虽然修调匹配了电容误差，但是在2048处形成了较明显的拐点，证明一阶修调虽然能够把INL曲线修至1LSB以内，但仍有明显的积分非线性误差存在。经过二阶修调算法进行的修调结果如图8所示，经过二阶修调，通过修调电容的整体弥补，使得INL曲线接近理想状态［8］。

图6 未经修调的INL曲线

图7 采用一阶修调算法得到的INL修调曲线

6 结束语

逐次逼近型A／D和单片机的结合，目前能够见到的主流器件，基本上只达到12位的水平。但是从本文的方法上看，该架构也可实现14位A／D的水平。但是如果希望达到16位的嵌入水平，就需要A／D转换器采用新的架构调节方式。单片机不仅限于MCS51单片机，对于32位的ARM单片机，也可采用同样的方法嵌入A／D转换器。

图8 采用二阶修调算法得到的INL曲线

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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

胡子阳（1978-），男，辽宁省铁岭市人，高级工程师，硕士，主研方向：集成电路设计与应用。

2016-01-25