无论是黑灯工厂里设备的有序运行，还是温馨家居中电器的自动感知，抑或是数字医疗中的体征信号数据采集，微控制器（MCU）几乎是解决一切有控制需求场景的“万能钥匙”。近年来，随着物联网走入更广泛的场景，例如可穿戴设备、远程测控、无线传感等诸多应用中，衍生出大量的低功耗类数据采集和控制需求，低功耗MCU成为微控制器品类中的一个重要细分市场。根据相关资讯预测，在全球微控制器市场份额中，低功耗微控制器约占15%～20％，2019年市场规模为44亿美元，预计到2024年将增长到129亿美元，年复合增长率（CAGR）高达24.1％。

“想一想佩戴起搏器的病人每隔5年或10年开一次刀，就是因为起搏器电池没电了；为偏远地区的铁路山体塌方监测仪更换一次电池，维护成本可能超过设备本身；关键设施的地震监测如果在发生地震时因为电池没电而不能正常监测……很多应用场景对产品方案提出越来越严格的功耗要求，低功耗MCU正随着物联网应用的普及迎来爆发增长期。”ADI公司资深业务经理李勇在最近的一次行业交流活动中指出。ADI从2010年开始加强低功耗MCU产品的设计研发，结合其传统的高性能信号链技术和业界领先的电源管理技术，目前已经成功打造了多个系列的超低功耗MCU产品，适用于工业、消费电子、可穿戴医疗等广泛领域。

低功耗“刚需”加速物联网应用落地，独特MCU设计打造省电“芯榜样”

自上世纪60年代末70年代初，微控制器产品雏形出现，为至今50余年的消费电子、计算机通信、工业、汽车电子、物联网电子设备创新持续赋能。在此过程中，MCU性能不断进阶，16位、32位乃至64位MCU持续迭代更新，各种应用品类层出不穷，越来越多的功能部件如存储器、I/O端口、时钟、A/D转换，以及SPI、I²C、ISP等数据传输接口被整合。

ADI低功耗MCU产品赋能千行百业应用

“每一个嵌入式系统都需要至少一个MCU，面对如今越来越多的智能化场景，MCU要求在短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡，功耗则成为这类应用最关键的制约因素。”李勇敏锐地指出随着传统应用升级及新兴市场带动，低功耗MCU正不断触发其增长潜力。作为微控制器的一个细分市场，低功耗MCU主要面向便携式设备、电池供电、能量采集等需要低能耗工作的电子产品，通常采用了与常规微控制器不同的设计方法和工艺选择，以降低MCU的能耗和漏电流，从而使其工作更长的时间，为电池或能量采集等方式供电的设备提供更持久的续航能力。例如连续血糖监测仪要求电池续航14天以上，智能仪表要求电池续航6年以上，地质灾害监测则要求环境自供电永久续航等，都需要MCU以极低功耗完成数据采集、信号处理等过程。

事实上，低功耗MCU涉及的关键技术和设计挑战非常多，从如何定义系统架构、构建平台和MCU生态系统到数字电路设计，从工艺的选择到模拟电路设计，从可靠性设计到低功耗设计，从应用创新到满足客户各种需求等，每方面都对设计公司提出很高要求。“尽管现阶段市场上的低功耗MCU百花齐放，但ADI还是凭借在低功耗与高性能等多方面的独特优势，拥有很强的市场竞争力。”李勇自信地表示。

ADI非常重视低功耗MCU这一重要市场，目前针对汽车、消费、工业、医疗等多个领域已推出具有优异低功耗性能的一系列产品。ADI低功耗MCU无论在活跃模式（Active Mode）或睡眠模式（Deep Sleep Mode）等多个工作模式下都可以保持尽量低的功耗，甚至在外扩SRAM串口时的带电功耗也非常低，这其中采用了大量的差异化设计创新思路，例如：活跃模式下MCU全速运行，不同的功能模块可以进行独立控制关断或激活，从而实现节电效果；由于可穿戴设备大多数时间都处于休眠状态，在睡眠模式下ADI低功耗MCU主核可关闭，但内置的智能DMA控制器仍能正常工作，保证了系统设计灵活性的同时，将整体解决方案的功耗控制得仍然很低；为避免因时钟源频率过高导致功耗变大，MCU芯片集成了大约3-6个时钟源，客户无需配置外部晶振便可控制关断用以唤醒设备外的很多外设模块，使MCU漏电流尽可能小……

MAX32660上的DMA控制器的架构图

“这主要得益于ADI全新系列低功耗MCU除了Cortex-M4核之外，通常还内置了一颗RISC-V核，负责蓝牙通信与I/O口传感器数据的传输监控等，由于RISC-V核通常功率较低，因此在睡眠模式下实现了既不影响设备的正常工作，又能保持低功耗水准。就像智能手表处于休眠状态时，表盘可能不会呈现任何信息，因为Cortex-M4内核处于休眠状态，但RISC-V核仍然在进行传感器数据采集。”李勇补充说。

除了内核的低功耗设计非常关键之外，存储器的频繁数据存取产生的功耗也至关重要。在可穿戴设备中MCU通常需要频繁地对SRAM进行数据存取，在睡眠模式下也不能关断，而ADI低功耗MCU可以实现分块关断从而可以进一步实现功耗的优化，例如仅预留16k、32k或64k SRAM空间来存放数据，即便是预留160k存储空间工作电流也仅有2μA，这在MCU设计中也是比较关键的参数，用户可以在功耗设计时做好平衡。

不止于低功耗，多个MCU关键性能升级锦上添花

ADI低功耗MCU除了在低功耗上的表现突出之外，高性能、安全可靠同样是其重要标签。由于通常比竞争对手采用了主频更高的Cortex-M4内核（主频100MHz左右），同时内置大容量存储器，ADI低功耗MCU可以支持复杂的应用，以及完成一些复杂的算法，甚至一些小型操作系统。

另一方面，随着人们对嵌入式领域的信息安全和程序安全越来越重视，MCU安全等级也正在逐步提升，越来越多的设备应用要求对数据信息进行保护。ADI低功耗MCU内部集成了安全算法，可以利用安全引导与加密算法的方式来保护客户的代码或数据信息，甚至通信数据也可以进行加密防止黑客获取。

除此之外，物联网应用不仅对功耗敏感，同时对设备尺寸、成本也很敏感，ADI低功耗MCU通过集成了多功能来实现更紧凑的产品方案和整体更低的BOM成本。李勇强调道：“我们的方案针对不同的应用集成了不同的外设，例如蓝牙、电源管理以及模拟前端，所以，客户在做一些自己的应用的时候，甚至可以用单独一片芯片就能够完成它的设计，从而实现比较低的BOM成本，同时实现低功耗和小尺寸。”据李勇透露，即将推出的MAX32690将应用处理内核Cortex-M4和蓝牙专用核RISC-V集成在同一芯片上，并且蓝牙专用核还带自己的存储区，使得应用程序和蓝牙代码可以完全独立的运行，实现了高效率和低功耗的完美组合。

布局多元化MCU产品线，积极应对未来市场需求

不同应用场景，对MCU在功能、性能和功耗的需求可能会有很大差异，因此针对不同应用场景，市面上的厂商也都进行着精细化设计。“依托在模拟与信号链设计方面的研发制造经验，ADI目前已布局了丰富的产品线系列。”李勇进一步介绍道，“90nm工艺的通用型低功耗产品MAX32630/32620/32625，针对可穿戴设备、物联网终端多市场应用的MAX32650/32665/32670，针对工业市场应用优化的MAX32672/32680/32675等，都是性能非常优秀、功耗水平非常低的MCU产品。”ADI低功耗MCU针对客户的不同应用还提供了BGA、TQFP、TQFN、WLD等多种封装供选择，例如可穿戴产品追求小尺寸，而工业类应用则更青睐高性能与可靠性封装等。

ADI丰富的低功耗MCU产品系列

目前，许多可穿戴设备都要求具备数据存储的功能，不仅是智能手环存储用户的睡眠数据、计步数据等初级应用，便携式医疗设备也要求在软件支持下感知、记录身体健康数据以分析、调控、干预甚至治疗疾病或维护健康状态，例如胸贴便要存储大量的心电测量数据。“MAX32650强大的板载存储器能力极具吸引力，包括高达3MB闪存与1MB SRAM，器件通过高效操作可管理更多数据、支持医疗可穿戴应用，而不会耗尽代码空间，目前在同行业市场上也很难找到这样大存储空间的低功耗MCU产品。”李勇举例道。

作为全球高性能半导体技术的领先提供商，ADI低功耗MCU通常结合了其传统优势技术，例如模拟前端集成了ADC/DAC、蓝牙通信模块、比较器、放大器、滤波器等，使客户在产品开发和采购时都能更加简便，优化性能的同时还大大简化了供应链的管理。针对客户反馈采购复杂或比较昂贵的模拟功能模块，例如HART调制解调器，ADI已将其集成到了工业MCU系列产品中，当用户用其设计温度变送器、压力变送器等产品时，在可靠性、品质和成本上都极具优势。即将发布的MAX32690和MAX32662还集成了CAN BUS，使得它们不仅可用于医疗可穿戴设备，还可用在汽车检测设备、电动摩托等应用上。此外，ADI也规划了面向未来需求的系列低功耗MCU产品，例如工业以太网逐渐成为工业互联网的关键技术和智能制造自动化基石，ADI正在研发将以太网控制模块集成于低功耗MCU中，以轻松解决设备连接难题。

越来越多的物联网边缘设备虽然体积小，但必须支持一系列复杂的传感、通信和处理任务，低功耗MCU作为终端节点的核心控制器件，是实现这一需求的关键因素，将加速推动各类创新型终端产品的涌现。“ADI正持续加大对智能边缘领域与数字化未来的技术投资，低功耗MCU作为ADI三大微控制器产品线之一，具有低功耗、高性能、高集成度与安全性等诸多竞争优势，将随着传统应用的升级以及新兴应用的带动，不断触发其潜力角逐更大的市场！”李勇信心满满地展望未来市场机遇。

关于ADI公司

无论是在建筑物中还是在生产车间，如今在任何地方都需要可编程控制器来调节各种生产过程、机器和系统。这就涉及到与相关器件连接的可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)模块。为了控制这些器件，PLC或DCS模块通常具有提供电流输出、电压输出或二者的组合的输出模块。工业控制模块的标准模拟输出电压和电流范围为±5V、±10V、0V至5V、0V至10V、4mA至20mA和0mA至20mA。特别是在工业领域，通常需要对微控制器和输出外设进行电气隔离。

传统解决方案采用分立式设计，可以将微控制器的数字信号转换为模拟信号，或提供不同的模拟输出，并实现电气隔离。但是，与集成式解决方案相比，分立式设计有许多缺点。例如，组件数量多，导致系统非常复杂，电路板尺寸大，成本高。短路耐受能力甚至故障诊断等其他特性更凸显了这些缺陷。

较好的解决方案是在单芯片上尽可能整合更多的功能，例如，ADI公司的高精度16位DAC AD5422。除了数模转换，它还提供完全集成的可编程电流源和可编程电压输出，能够满足工业过程控制应用的需求。

图1.使用AD5422和ADuM1401实现模拟输出级隔离控制的简化示例电路。

图1显示可完全隔离控制输出模块的模拟输出级的示例电路。它特别适合需要4mA至20mA标准电流输出和单极性或双极性输出电压范围的过程控制应用中的PLC和DCS模块。这里AD5422与 ADuM1401 四通道数字隔离模块组合使用。

16位DAC AD5422的输出可通过串行外设接口(SPI)配置。该模块还集成诊断功能，这在工业环境中很有用。微控制器和DAC之间所需的绝缘电阻可通过ADuM1401实现，ADuM1401的四个通道用于与AD5422实现SPI连接：三个通道（LATCH、SCLK和SDIN）传输数据，第四个通道(SDO)接收数据。

特别是在工业应用中，必须提供能够抗高干扰电压的可靠输出。IEC 61000等标准中规定了可靠性要求，例如，其中指定了有关电磁兼容性(EMC)的要求。为了符合这些标准，输出端需要有额外的外部保护电路。一种可能的保护电路如图2所示。

图2.用于AD5422输出的符合IEC 61000标准的保护电路。

电流输出(IOUT)可以在4 mA至20 mA或0 mA至20 mA范围内选择设定。电压输出通过单独的VOUT引脚提供，该引脚的电压范围可配置为0 V至5 V、0 V至10 V、±5 V或±10 V。所有电压范围的超量程均为10%。两个模拟输出都具有短路和开路保护功能，可以驱动1 μF的容性负载和50 mH的感性负载。

AD5422需要10.8 V至40 V的模拟电源(AVDD)。对于数字电源电压(DVCC)，则需要2.7 V至5.5 V。或者，DVCC也可作为系统中其他组件的电源引脚或上拉电阻的终端。为此，DVCC_SELECT引脚应浮空，并向DVCC引脚施加内部4.5 V LDO稳压器电压。最大可用电源电流为5 mA。在所示电路中，DVCC用于向ADuM1401的电气隔离端供电。

使用ADR4550 外部基准电压源可从16位DAC获取高精度轮换结果。这是一款高精度、低功耗、低噪声基准电压源，最大初始精度为0.02%，具有出色的温度稳定性和低输出噪声。

本文所示的电路特别适用于PLC或DCS模块的输出模块，这些模块同时提供电流和电压输出，并且必须符合IEC 61000等EMC标准。AD5422

• 12/16位分辨率和单调性

• 电流输出范围：4mA至20mA；0mA至20mA；
  总非调整误差(TUE)：±0.01%（典型值，FSR）
  输出漂移：±3 ppm/°C

• 电压输出范围：0V至5V；0V至10V；±5V；±10V
  超量程：10%
  总非调整误差(TUE)：±0.01%（典型值，FSR）
  输出漂移：±2ppm/°C

• 灵活的串行数字接口

• 片内输出故障检测

• 片内基准电压源：10ppm/°C（最大值）

• 可选的稳压DVCC输出

• 异步清零功能

• 电源范围 
  AVDD：10.8V至40V
  AVSS：−26.4V至−3V/0V

• 输出环路顺从电压：AVDD–2.5V

• 温度范围：−40°C至+85℃

• TSSOP和LFCSP封装

在当今汽车电气化的演进过程中，车载充电器 (OBC) 始终扮演着重要的角色——从车外交流取电，转换为直流电向车内主电池包充电，执行整车充电指令，完成充电过程。在新能源汽车中，一般会存在两个不同电压等级的电池：高压电池用于驱动电机，低压电池用于车内小型电子设备供电。直流-直流转换器（DC/DC）从高压动力电池包取电，转换成低压直流电，进而为车内的不同负载进行电力输送。

▲图1. 典型OBC-DCDC系统框图

意法半导体新能源汽车创新中心针对大功率OBC-DCDC应用，以及终端客户对更快速的充电需求等，提出了系统解决方案。方案主要由40nm工艺，32-bit Arm®架构的车规级多核微处理器Stellar-E1，电源管理/系统基础芯片SPSA068/L9396，单通道栅极隔离驱动器STGAP2SICS，以及第三代功率半导体1200V SiC功率器件SCT015W120G3-4AG，SCT070W120G3-4AG组成。该方案为客户提供了完整配套的产品，满足客户大功率OBC-DC/DC的应用需求。

▲图2. 意法半导体22kW OBC-DC/DC的系统解决方案框图

▲图3. 意法半导体22kW OBC-DC/DC系统方案对应实物图

在架构层面，系统方案通过2颗Stellar-E1微控制器分别实现了PFC+LLC的环路控制，以及低压侧DC-DC的环路控制和整车通讯、功能安全等功能。SCTW015(070)N120G3-4AG则分别是PFC+LLC级和PSFB（移相全桥）级的SiC功率器件。STGAP2SICS对SiC功率管进行驱动，SPSA068/L9396负责为微控制器所需要的外设I/O接口、内核等不同电源轨供电。

在此之中，意法半导体重点推出了极具创新与技术价值的基于Arm®架构300Mhz主频微控制器Stellar-E1。

▲图4. Stellar E1内部资源

Stellar E-1相关资源介绍

✦ 内核资源- 2*300Mhz Coretex-M7 Arm® 核心，可配成1个lockstep核或两个独立核进行使用；

✦ 电源专用高精度发波外设- HR-Timers, 模拟比较器等；

✦ 通讯接口资源- 4路SPI, 4路CAN FD, 3路LIN, 2路I2S, 2路I2C；

✦ 存储资源- 384kB RAM, 2MB FLASH, 64KB data FLASH, 支持CAN-FD和硬件OTA(A/B swap)；

✦ 内置150Mhz硬件加密模块（HSM）；

✦ 丰富的A/D转换资源- 8个独立的DAC内部采样模块, 2个独立的DAC外部采样模块，2个独立的16bit ΣΔ ADC模块及相关通用ADC/ Timers等；

✦ 系统相关资源-中断, 锁相环, CRC校验等。

Stellar-E系列MCU多种针对OBC-DCDC的专属设计，使其对客户系统具有相当优势。在性能、成本及安全（功能安全 & 信息安全）等方面均有亮点：

系统方案的测试表现

系统板级测试及性能表现实况---

✦ 三相PFC效率测试条件和表现

➤ 峰值效率-98.63%➤ 输入电压-380VAC(L-L)

▲图5. 三相PFC效率测试表现  

✦ 系统热应力表现

➤ SiC水冷室温25℃，水温21℃➤ 输入电压-380VAC(L-L)

▲图6. 系统热应力表现 

▲左：图7. 800V, 16A 三相PFC SiC热成像 

▲右：图8. 800V, 16A 3相PFC 主电感热成像

✦ 三相PFC满载测试表现

➤ 输入电压380VAC(L-L), 32A RMS➤ 输出电压800VDC, 25A, 20KW➤ 相电流ITHD: 3%➤ SiC水冷室温25℃, 水温21℃                                  

▲图9. 800V, 20KW 相电流THD测量

系统基础芯片SBC---L9396

L9396的主要内部资源及特性功能如下：

✦ AEC-Q100车规认证，支持环境温度范围-40℃~135℃

✦ 完全符合ISO26262标准，支持客户系统功能安全ASIL-D等级

✦ 内部集成开关、线性电源：

➤ 升压控制器，9V，300mA

➤ 降压控制器，6.5V/7.2V，1A，开关频率465kHz

➤ 线性稳压器，微控制器I/O端口和ADC供电，5V/250mA能力

➤ 线性稳压器，微控制器I/O端口供电，3.3V/5V可配，100mA能力

➤ 可通过外部FET配置线性（最大750mA）/降压（最大1A）模式的稳压器，输出范围0.8~5V，用于微控制器内核供电

✦ 优化EMC，支持展频功能 

✦ SPI通讯功能、可配3.3/5V I/O电平等级，可配置问答式看门狗&窗口式看门狗

✦ 可配故障安全（fail safe）功能

✦ 内置10bit ADC，分立模拟输入引脚用于外部通用测量

✦ 过/欠压&温度监控，热关断功能

✦ TQFP64EP (10x10x1mm) 封装

▲图10. L9396内部功能模块

意法半导体Gen 2 & 3 SiC功率半导体产品家族为OBC-DCDC应用提供多样选择

意法半导体拥有的第二代、第三代碳化硅功率半导体产品系列，可以全方位覆盖不同击穿电压等级，并具备多种不同导通电阻值、封装及栅-源电压等级，用来满足客户OBC-DCDC不同的功率需求。

▲图11. 意法半导体第二、三代SiC功率半导体广泛覆盖

光模块解决方案小尺寸 M030G/M031G 系列微控制器，获得2022「ASPENCORE 全球电子成就奖」(World Electronics Achievement Awards, WEAA) 年度微控制器/接口产品奖 (Microcontroller/Interface of the Year) 殊荣

新唐科技成立的宗旨是为半导体产业带来创新的解决方案，公司专注于开发微控制/ 微处理器、智能工业物联网及智慧家居相关应用之IC产品，相关产品在工业电子、消费电子及计算机市场皆具领先地位。鉴于5G的蓬勃发展，新唐了解到无论是在电信或是数通网络，对于光通讯的基础建设皆有强烈的需求。因此于2022年初，推出NuMicro® M030G/M031G系列微控制器，为市场提供完整的光模块解决方案平台。 

完全符合光模块应用的NuMicro® M030G/M031G系列微控制器，拥有五大特色：

1、小尺寸封装，包含QFN24 3mm x 3mm及QFN33 4mm x 4mm；

2、内建高准确度温度传感器，于-40 °C至105 °C下准确度为±2 °C；

3、高速I2C接口，从机模式可达1 MHz；

4、内建硬件曼彻斯特编解码器，可供光通讯应用做曼彻斯特编码转换；

5、优化的DAC，支持自动数据产生功能，搭配曼彻斯特编解码器，可高速地输出平顺的曼彻斯特码正弦波。 

除了五大特色以外，NuMicro® M030G/M031G系列微控制器共配备了4组DAC及高达16通道的ADC，新唐科技将丰富的模拟周边整合于小尺寸的IC中，让此系列微控制器的应用更具弹性。除了光模块的应用，NuMicro® M030G/M031G系列微控制器也广泛地使用于传感器、小尺寸屏幕、小家电、电源模块、微投影机、穿戴装置等应用中。 

《ASPENCORE》为全球电子技术领域知名媒体集团，其主办之全球高科技领袖论坛—全球双峰会，于今年 (2022) 是第五年举办，此高端专业峰会已累积相当的信誉，在电子行业中闻名遐迩。于峰会中所颁发的「全球电子成就奖 (World Electronics Achievement Awards)」，目的为评选并表彰对推动全球电子产业创新做出杰出贡献的企业和管理者，而获奖的产品也被视为行业领先者。经由 ASPENCORE 全球资深产业分析师组成的评审委员会以及来自亚、美、欧洲的网站用户群共同评选后，NuMicro® M030G/M031G系列微控制器，获得了年度微控制器/接口产品奖 (Microcontroller/Interface of the Year) 的殊荣。 

随着5G基础建设、数据中心及物联网的发展，无论是光通讯网络，还是智慧传感器，都将成为人类生活不可或缺的一环。新唐科技将以行业中领先产品的NuMicro® M030G/M031G系列微控制器为出发点，继续深耕此领域、持续提供创新产品，为新一代网络建设及智能生活贡献心力，实现新唐科技的宗旨：「以绿色半导体技术丰富人类生活的隐形冠军」。 

1、概述

ME32 系列是内嵌 ARM Cortex™ M0 核的 32 位微控制器。该系列控制器由敏矽微电子有限公司自主开发，并具有自主知识产权。敏矽微电子的微控制器通用功能有高精度 ADC，UART 串口，SPI 接口，I2C 总线接口，看门狗定时器（WDT），通用计数器/定时器和马达控制功能模块。

ME32 系列 ADC 采用 SAR（电容式渐次逼近）设计，具有采样转换速度快，成本低特点。但 SRA ADC 在使用上与传统的ADC 有一些差别，我们就此做一些讨论(以下整理的资料来源于网上)。

2、SAR ADC 原理

ME32 微控制器中嵌入的 ADC 使用 SAR（逐次逼近寄存器）原理，可以分以下步骤执行转换。每个转换步数等于 ADC 转换器中的位数，而每一步都由 ADC 时钟驱动，每个 ADC 时钟输出产生一位结果。所有 ADC 内部设计基于开关电容技术。下面给出的示例仅显示了 ADC 近似逼近工作原理的第一步，但该过程将一直持续到达到 LSB 为止。

3、环境对 ADC 转换结果的影响

3.1 ADC 参考电压噪声

由于 ADC 输出是模拟信号电压和参考电压之间的比率，模拟参考上的任何噪声都会导致转换后的数字值发生变化。部分封装采用 VDDA 模拟电源作为参考电压（VREF+），因此 VDDA 电源的质量对 ADC 误差有影响。例如，当模拟基准电压为 3.3 V

（VREF+=VDDA）和 1 V 信号输入时，转换结果为：

（1/3.3）×4095=0x4D9

然而，当模拟基准电压为 40 mV 峰间纹波时，转换值变为：

（1/3.34）×4095=0x4CA（VREF+在其峰值处）

Error=0x4D9–0x4CA=15lsb

因此我们可以得出，参考电压噪声对 ADC 转换精度至关重要。而开关电源通常采用内部快速开关功率晶体管，这会在输出中引入高频噪声，开关噪声在 15 千赫至 1 兆赫之间。

3.2 参考电压/供电电源

电源调节对于 ADC 精度非常重要，因为转换结果是模拟输入电压与 VREF+值的比值。如果在连接到 VDDA 或 VREF+时，由于这些输入上的负载及其输出阻抗而导致电源输出降低，则会在转换结果中引入错误。

转换结果=VAIN(2N-1)/VRef+，其中 N 是 ADC 的分辨率（在我们的情况下 N=12）。如果参考电压改变，数字结果也会改变。例如：如果所使用的电源是 3.3 V 的参考电压，而 VAIN=1 V，则数字输出为：如果电源提供的电压等于 3.292 V（在其输出连接到 VREF+之后），则：电压降引入的错误为：0x4DC–0x4D9=3 LSB

3.3 参考电压解耦和阻抗

参考电压源必须具有低输出阻抗，以在各种负载条件下提供标称电压。输出阻抗的电阻和电感部分都很重要。在模数转换器转换过程中，参考电压是连接到开关电容网络的。在连续近似（一个近似周期对应于一个 ADC 时钟周期）期间，该网络的电容器在很短的时间内从/到参考电压充电/放电，因此参考电压必须为电容器提供高电流峰值。在每个近似周期结束时，电容器上的电压必须稳定（参考电压的零电流）。因此，参考电压必须具有非常低的输出阻抗，包括低电感（以便在非常短的时间内提供高电流峰值）。寄生电感可以防止充电过程在接近周期结束时完全完成，或者在 LC 电路中出现振荡（寄生电感与电容网络一起）。在这种情况下，近似循环的结果是不准确的。所以参考电压上正确的去耦电容器必须非常靠近管脚，提供低源阻抗。

3.4 外部参考电压参数

如果使用外部参考电压源（在 VREF+pin 上），则该外部参考电压源有重要参数。必须考虑三种参考电压规格：温度漂移、电压噪声、长期稳定性。

3.5 模拟输入信号噪声

小但频率高的信号变化在采样时会导致较大的转换误差。这种噪音是由电机、发动机点火装置、电源线等电气设备产生的。它通过添加不需要的信号来影响源信号（如传感器）。因此，ADC 转换结果也会不准确。

3.6 ADC 动态范围与最大输入信号幅度不匹配

要获得最大 ADC 转换精度，ADC 动态范围与要转换信号的最大幅度匹配非常重要。假设要转换的信号在 0 V 和 2.5 V 之间变化，且 VREF+等于 3.3 V。ADC 转换的最大信号值为 3102（2.5 V），如图所示。在这种情况下，有 993 个未使用的转换（4095–3102=993）。这意味着转换信号精度的损失。

3.7 模拟信号源电阻的影响

模拟信号源的阻抗，或源和管脚之间的串联电阻（RAIN），由于流入管脚的电流而引起电压下降。内部采样电容器（CADC）的充电由带电阻的开关控制。随着源电阻的增加（使用 RADC），保持电容器完全充电所需的时间增加。下图显示了模拟信号源电阻效应。

CADC 的有效充电受 RADC+RAIN 控制，充电时间常数为 tc=（RADC+RAIN）×CADC。如果采样时间小于通过 RADC+RAIN（ts<tc）向 CADC 完全充电所需的时间，则由 ADC 转换的数字值小于实际值。

3.8 信号源电容和 PCB 寄生电容的影响

转换模拟信号时，必须考虑源极电容和模拟输入引脚上的寄生电容。源极电阻和源极电容构成 RC 网络。此外，除非外部电容器（CAIN+Cp）完全充电至输入电压水平，否则 ADC 转换结果可能不准确。（CAIN+Cp）值越大，源频率越受限。源端的外电容和寄生电容分别用 CAIN 和 Cp 表示。

3.9 注入电流效应

任何模拟管脚（或紧密定位的数字输入管脚）上的负注入电流可能会将泄漏电流引入 ADC 输入。最坏的情况是相邻的模拟信道。当 VAIN<VSS 时引入负注入电流，导致电流从 I/O 引脚流出。

3.10温度影响

温度对 ADC 的精度有很大的影响。主要导致两大误差：偏移误差漂移和增益误差漂移。这些错误可以在微控制器固件中进行补偿

3.11I/O 管脚串扰

由于 I/O 之间的电容耦合，切换 I/O 可能会在 ADC 的模拟输入中产生一些噪声。串扰可能是由相互靠近或相互交叉的 PCB 磁道引起的。内部交换数字信号和 I/O 引入高频噪声。切换 I/O 输入输出可能会导致电源中的电压骤降，这是由电流浪涌引起的。穿过 PCB 上模拟输入轨迹的数字轨迹可能会影响模拟信号。

3.12电磁干扰引起的噪声

来自邻近电路的电磁辐射可能会在模拟信号中引入高频噪声，因为 PCB 轨迹可能像天线一样工作。

4、硬件设计

4.1 系统供电电源及 ADC 参考电源要求

虽然 MCU 可以工作从 2.2V~5.5V 宽电压范围，但电源的噪声对 MCU 的正常工作还是至关重要的，好供电电源设计，系统便成功了一半。系统电源必须至少有一个 10uF 的稳压电容和一个 0.1uF 的去藕电容，而且在 PCB 布板时去藕电容必须最大限度的靠近 MCU 的 VDD 管脚。

由于 ADC 使用 VREF+或 VDDA 作为模拟基准，并且数字值是模拟输入信号与该电压基准的比值，因此电源应具有良好的线路和负载调节。因此，VREF+必须在不同负载下保持稳定，接通电路的一部分增加负载，电流的增加决不能导致电压降低。如果电压在较宽的电流范围内保持稳定，则该电源具有良好的负载调节能力。

例如，对于 LD1086D2M33 电压调节器，当输入电压从 2.8 伏到 16.5 伏（Iload=10 毫安）变化时，线路调节率为 0.035%，当 Iload 从 0 到 1.5 安变化时，负载调节率为 0.2%（详情请参阅 LD1086 系列数据表）。线路调节值越低，调节效果越好。同样，负载调节值越低，电压输出的调节性和稳定性越好。也可以使用 VREF+的参考电压，例如 LM236，它是 2.5v 的电压参考二极管（有关更多详细信息，请参阅 LM236 数据表）。

参考电压源设计必须提供低输出阻抗（静态和动态）。寄生串联电阻和电感必须最小化。参考电压上的正确去耦电容器位于非常靠近管脚的位置，提供低参考电压源阻抗。

4.2 ADC 信号源

4.2.1添加外部滤波器

添加外部 RC 滤波器可消除高频。处理频率成分高于感兴趣频率范围的信号不需要昂贵的滤波器。在这种情况下，一个相对简单的低通滤波器，其截止频率 fC 刚好高于感兴趣的频率范围，就足以限制噪声和混叠。与最高关注频率一致的采样率就足够了，通常是 fC 的 2 到 5 倍

4.2.2添加白噪声或三角扫描以提高分辨率

该方法将硬件技术和软件技术相结合，提高了测量精度。从软件的角度来看，该方法使用平均（过采样），从硬件的角度来看，它使用信号修改/扩频/抖动。在输入信号有噪声（为了能够计算平均值，需要对信号进行一些改变）并且要求获得信号的平均值的情况下，可以使用平均值。当输入信号是一个非常稳定的无噪声电压时就会出现问题。在这种情况下，当测量输入信号时，每个数据样本是相同的。这是因为输入信号电平介于两个 ADC 字电平之间（例如，在 0x14A 和 0x14B 之间）。因此，无法更精确地确定输入电压电平（例如，如果电平接近 0x14A 或接近 0x14B 电平）。解决方案是向输入信号添加噪声或一些信号变化（具有均匀的信号分布，例如三角形扫描），输入信号将其电平推过 1 位 ADC 电平（以便信号电平在 0x14A 以下和 0x14B以上变化）。这会导致 ADC 结果发生变化。将软件平均应用于不同的 ADC 结果，产生原始输入信号的平均值。作为一个例子，该方法可以通过使用与输入信号耦合的三角形发生器来实现（白噪声的产生更为复杂）。必须注意不要修改原始输入信号的平均值（因此，必须使用电容耦合）。下图是微控制器直接生成的准三角形源的一个非常简单的实现。

4.2.3小信号/弱信号考虑

对于小信号/弱信号（电阻分压的电池电压信号，NTC 信号），由于信号内阻大，最好的办法是在 MCU 外部采用运放（OP），对信号进行增益和加强，从而一劳永逸解决信号的噪声和易受干扰等问题。但出于成本的压力和本身对测量精度要求不高，信号也变化缓慢，这时候可以加入一个 0.1u~1u 的电容，来消除 ADC 转换时由于信号弱对测量精度的影响。

4.2.4电阻分压信号源与参考电压的一致性问题

对电阻分压信号源（如 NTC）来讲，ADC 输入端口的电容和分压电阻可能会导致与电源电压的变化形成相位差，如果电源电压正好是 ADC 的参考电压，那么电源的波动就可能使参考电压和信号不匹配，测量的结果也是不准确的。所以减小分压电阻和 AD 端口的电容来缩小相位差是非常必要的。采用 NTC 时，建议分压电阻不要超过 10K，AD 端口电容在 0.1u。

4.3 PCB 注意事项

VDDA 管脚的滤波电容要大于 0.1u，噪声大时加大到 1u。

信号源远离强电和大电流信号，避免与其他高频信号并行行成串扰。

ADC 信号尽可能采用地和电源进行屏蔽。

5、软件采样

有如下几个方法可以用来提高 ADC 转换和采样的精度：

• 平均样本

–平均会降低速度，但可以提高精度

• 数字滤波（直流值 50/60Hz 抑制）

–设置了适当的采样频率（定时器触发在这种情况下很有用）。

–对采样数据进行软件后处理（例如 50 Hz 的梳状滤波器噪声及其谐波抑制）。

• 交流测量的快速傅里叶变换（FFT）

–这种方法允许在测量信号中显示谐波部分。

–由于使用了更多的计算能力，因此速度较慢。

• ADC 校准：偏移、增益、位重校准

ADC 校准减少内部 ADC 错误。然而，内部 ADC 结构必须知道。

• 最小化 CPU 内部和系统受控部分噪声

必须设计应用程序

–在 ADC 转换过程中使用来自微控制器的最小干扰。

–尽量减少采样和转换过程中的数字信号变化（数字沉默）。

5.1 平均法

平均是一种简单的技术，在这里你可以对一个模拟输入进行多次采样，然后用软件计算结果的平均值。这种技术有助于在模拟电压不经常变化的情况下消除噪声对模拟输入的影响。必须对几个读数进行平均，这些读数都对应于相同的模拟输入电压。确保在转换完成的时间段内，模拟输入保持在相同的电压，否则您将累积对应于不同模拟输入的数字值，并且您将引入错误。

另外抛弃一些明显的因干扰而突变的结果（最低最高法则），对使用平均法也是非常有利的。

5.2 用于交流测量的 FFT

在某些特定情况下，应用程序需要知道带有给定频率。在这种情况下，交流信号的有效值也可以通过使用相对较慢的采样速度

（与测量的信号频率相比）。

例如，当测量交流电源信号时（接近正弦且具有相对较低的谐波含量），足以选择 32 次采样频率大于电源频率（50 赫兹）。

在这种情况下，高达 15 阶的谐波可以获得。主信号中 15 次谐波的振幅很小（下一次阶次谐波可以忽略不计）。电源信号的

计算有效值为由于谐波的有效值被加到总交流谐波值为：

因此，如果第 15 次谐波振幅仅为第 1 次谐波（50 赫兹）的 1%（0.01），则其对总有效值的贡献仅为 0.01%（因为上述公式得出：0.01 2=0.0001）。因此，该方法的原理是用已知频率对交流信号进行采样然后对每个测量周期的 FFT 进行后处理。因为每个测量信号周期的采样点数量很小（例如 32 个点），则 FFT 处理所需的性能并不高（例如，仅 32 点 FFT）。该方法适用于低失真信号的交流测量。这个缺点是它需要精确的信号采样：

•测量信号的频率必须已知，且 ADC 采样频率必须精确设置为测量频率的 2N 倍增。

•输入信号频率通过另一种方法测量。

•通过对预分频器和 MCU 主控器进行编程，调整 ADC 采样频率时钟选择（如果使用不准确的时钟执行采样，则插值可以用于在要求的点处获取样品）。

5.3 最小化内部 CPU 噪声

当 CPU 工作时，它产生大量的内部和外部信号变化通过电容耦合传输到 ADC 外围设备。这种干扰影响 ADC 精度（由于不同的微控制器操作而产生的不可预测的噪声）。为了最小化 CPU（和其他外围设备）对 ADC 的影响，有必要尽量减少采样和转换期间的数字信号变化（数字静音）。这是使用以下方法之一完成（在采样和转换期间应用）：

• 最小化 I/O 管脚更改

• 最小化内部 CPU 更改（CPU 停止、等待模式）

• 为不必要的外围设备（计时器、通信……）停止时钟

• 选择系统相对安静的时候进行采样