ADUCM356集成化学传感器接口的精密模拟微控制器技术手册

概述
ADuCM356是一款片内系统，可控制和测量电化学传感器和生物传感器。ADuCM356是一款基于Arm^®^ Cortex ^™^ -M3处理器的超低功耗混合信号微控制器。该器件具有电流、电压和阻抗测量功能。

ADuCM356内置集成输入缓冲器的16位、400 kSPS多通道逐次逼近寄存器(SAR)模数转换器(ADC)、抗混叠滤波器(AAF)和可编程增益放大器(PGA)。电流输入包括三个具有可编程增益的跨阻放大器(TIA)和用于测量不同传感器类型的负载电阻。模拟前端(AFE)还包含两个专门针对恒电势器能力而设计的低功耗放大器，使外部电化学传感器保持恒定的偏置电压。这两个放大器的同相输入由片内双通道输出数模转换器(DAC)进行控制。模拟输出包括高速DAC和用于产生交流信号的输出放大器。
数据表：*附件：ADUCM356集成化学传感器接口的精密模拟微控制器技术手册.pdf

ADC的转换速率最高可达400 kSPS，且具有−0.9 V至+0.9 V输入范围。ADC前面的输入复用器允许用户选择输入通道进行测量。这些输入通道包括三个外部电流输入、多个外部电压输入和内部通道。利用内部通道，可对内部电源电压、裸片温度和基准电压源进行诊断测量。

三个电压DAC中有两个是双通道输出、12位电阻串DAC。每个DAC的一个输出可控制恒电势器放大器的同相输入，另一个控制TIA的同相输入。

第三个DAC（有时被称为高速DAC）针对用于阻抗测量的高功率TIA而设计。此DAC的输出频率范围高达200 kHz。

提供1.82 V和2.5 V片内精密基准电压源。内部ADC和电压DAC电路采用此片内基准电压源，以确保所有外设均具有低漂移性能。

ADuCM356集成了一个26 MHz Arm Cortex-M3处理器，它是一款32位简化指令集计算机(RISC)。

Arm Cortex-M3处理器还具有灵活的多通道直接存储器存储控制器(DMA)，支持两个独立的串行外设接口(SPI)端口、通用异步接收器/发射器(UART)和I^2^C通信外设。ADuCM356片内还集成256 kB非易失性闪存/EE存储器和64 kB单一随机存取存储器(SRAM)。

数字处理器子系统从26 MHz片内振荡器接收时钟信号。该振荡器是主数字芯片系统时钟源。或者，26 MHz锁相环(PLL)可以用作数字系统时钟。此时钟在内部进行细分，以便处理器在较低频率下工作并省电。该器件还内置一个低功耗、32 kHz振荡器，可给定时器提供时钟。ADuCM356包括3个通用定时器、1个唤醒定时器（可用作通用定时器）和1个系统看门狗定时器。

模拟子系统内置单独的16 MHz振荡器，用于为模拟芯片上的ADC、DAC和其他数字逻辑元件提供时钟源。该模拟芯片还包含单独的32 kHz、低功耗振荡器，用于为模拟芯片上的看门狗定时器提供时钟源。32 kHz振荡器和此看门狗均独立于数字芯片振荡器和系统看门狗定时器。

可根据具体应用要求配置多个通信外设。这些外设包括UART、I^2^C、两个SPI端口和通用输入/输出(GPIO)端口。这些GPIO与通用定时器相结合，可组合生成脉冲宽度调制(PWM)类输出。

支持通过串行线调试端口(SW-DP)接口进行非介入仿真和编程下载。

ADuCM356采用2.8 V至3.6 V电源供电，额定温度范围为-40°C至+85°C。该芯片提供72引脚、6 mm × 5 mm基板栅格阵列(LGA)封装。

应用

• 气体探测
• 食品质量
• 环境检测（空气、水和土壤）
• 血糖仪
• 生命科学和生物感测分析
• 生物阻抗测量
• 通用安培检测法、伏安法和阻抗频谱分析功能

特性

• 模拟输入/输出
  • 16位、400 kSPS ADC
  • 电压、电流和阻抗测量能力
  • 内部和外部电流和电压通道
  • 超低泄漏开关矩阵和输入多路复用器
  • 输入缓冲器、PGA
• 电压DACs
  • 两个双通道输出电压DAC
    • 输出范围：12位输出范围：0.2 V至2.4 V（±2.2 V传感器电压电位）
  • 两个偏置恒电势器和TIA放大器
    • 超低功耗，每个放大器1 μA
  • 1个高速12位电压DAC
    • 传感器输出范围至：-607 mV至+607 mV
    • 用于阻抗测量的高速TIA
    • 输出上的可编程增益放大器
• 放大器、加速器和基准电压源
  • 两个低功耗、低噪声放大器
    • 适合电化学检测中的恒电势器偏置
  • 两个低功耗、低噪声TIA
    • 适合测量传感器电流输出（±0.00005 μA至±3000 μA范围）
    • 可编程负载和增益电阻
  • 模拟硬件加速器
    • 数字波形发生器（参考ADuCM356硬件参考手册）
    • DFT和数字滤波器
  • 2.5 V和1.82 V片内精密基准电压源
• 内部温度传感器，±2°C精度
  • 阻抗测量范围：<1 Ω至10 MΩ，0.016 Hz至200,000 Hz
• 伏安法扫描速率可达每秒2000步进
• 微控制器
  • 26 MHz Arm Cortex-M3处理器
  • 串行线端口支持代码下载和调试
  • 256 kB闪存/64 kB SRAM
• 安保和安全性
  • 内置可编程多项式发生器的硬件循环冗余校验(CRC)（参考ADuCM356硬件参考手册）
  • 用户闪存的读写保护h
• 片内外设
  • UART、I^2^C和SPI串行输入/输出
  • 最多17个GPIO引脚
    • 外部中断选项
  • 通用、唤醒和看门狗定时器
• 电源
  • 2.8 V至3.6 V电源和主动测量范围
  • 电源监控器
  • 工作功耗：数字部分：30 μA/MHz
  • 外部传感器休眠偏置：8.5 μA
  • 不保留SRAM的关断模式：2 μA
• 封装和温度范围
  • 6 mm × 5 mm、72引脚LGA封装
  • 额定工作温度范围：-40℃至+85℃

简化功能框图

功能框图

时序图

引脚配置描述

典型性能特征

应用信息

推荐电路及元件参数值

图19展示了ADuCM356所需的推荐外部元件。

有两组引脚：DVDD_AD和DVDD。在每组引脚旁尽可能近地放置一个0.1 μF的电容进行去耦。同样，在模拟电源引脚AVDD和AVDD_DD旁，也分别尽可能近地放置一个4.7 μF电容，在每个引脚旁再放置一个0.1 μF电容。

ADuCM356包含三个内部稳压器。这些稳压器各自需要外部去耦电容。数字稳压器引脚为DVDD_REG和DVDD_REG_AD。每个引脚需一个0.47 μF电容接地。AVDD_REG模拟稳压器需要一个0.47 μF电容去耦。如果有独立的接地层，该电容应连接到独立接地层。

ADuCM356的数字芯片上有一个可选的直流 - 直流转换器（降压转换器），启用后可节能。未使用时，VDCDC_CAP1N、VDCDC_CAP1P、VDCDC_CAP2N、VDCDC_CAP2P和VDCDC_CAPOUT引脚应保持断开。若使用直流 - 直流转换器，需在VDCDC_CAP1N与VDCDC_CAP1P之间以及VDCDC_CAP2N与VDCDC_CAP2P之间连接一个100 nF电容。VDCDC_CAPOUT引脚需一个0.47 μF电容连接到数字地，以实现直流 - 直流转换器的去耦。

有三个内部参考电压需要外部电容来确保稳定性。通过0.47 μF电容将ADCVBias、CAP和VREF_2.5V引脚连接到地。在VREF_1.8引脚和地之间连接一个4.7 μF电容。

出于校准目的，建议在RCAL_0和RCAL_1引脚之间连接一个外部精密电阻。通常，此电阻为2000 Ω，这样能实现高精度校准。低温度系数（≤10 ppm/°C）和0.1%或更高的精度可实现最精确的系统校准。

图19展示了ADuCM356与一个外部三引脚电化学气体传感器连接的电路。出于电磁兼容性（EMC，辐射抗扰度）考虑，建议为每个传感器引脚连接一个接地电容。通常，推荐电容值在22 pF到30 pF之间。在传感器的CEx引脚与ADuCM356的CAP_POT0引脚之间使用一个100 nF电容。同样，如果使用ADuCM356通道1恒电位仪，建议在传感器的CEx引脚与ADuCM356的CAP_POT1引脚之间连接一个100 nF电容。

每个低功耗跨阻放大器（TIA）的输出都有一个可编程低通滤波器。电阻是内置且可编程的，每个低通滤波器的电容是外部的。连接到AINT4_LPFO引脚与地之间的电容用于TIA0，连接到AINT7_LPF1引脚与地之间的电容用于TIA1。低功耗TIA需要在其反相输入和输出端之间连接一个100 nF电容，以确保稳定性。对于低功耗TIA 0，电容连接在RC0_0引脚和RC0_1引脚之间。如果使用低功耗TIA 1通道，电容连接在RC1_0引脚和RC1_1引脚之间。

如果使用低功耗数模转换器（DAC），每个输出（VBias0、VZERO0、VBias1和VZERO1）都需要一个100 nF电容接地。

图18. 高速环路连接到外部传感器（R1至R3），C1至C3代表总外部电容