MAXQ8913：一体化伺服环路控制的16位混合信号微控制器

在当今的电子设计领域，对于高性能、低功耗且功能集成度高的微控制器需求日益增长。MAXIM推出的MAXQ8913 16位混合信号微控制器，集成了运算放大器、ADC和DAC等多种功能，为一体化伺服环路控制提供了出色的解决方案。下面就来详细了解一下这款微控制器。

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一、概述

MAXQ8913是一款单芯片伺服控制器，专为双轴光学图像稳定（OIS）应用而设计，是该类应用的完整解决方案。不过，它的应用范围并不局限于此，在其他类型的伺服控制中也能发挥出色的作用，支持音圈和步进电机应用。

该芯片集成了传感器信号调理、模数转换、使用16位RISC微控制器实现数字伺服算法、数模转换等必要元素，还包含双伺服放大器。此外，它还具有低功耗睡眠模式、可选择性禁用外设以及多种节能操作模式，以实现极致的低功耗性能。

二、关键特性

（一）高性能低功耗核心

• 采用高性能、低功耗的16位MAXQ® RISC内核，具备单周期16 x 16硬件乘法/累加功能，带有48位累加器，能在DC至10MHz频率下工作，接近每MHz 1MIPS的处理能力。
• 拥有16级硬件堆栈，支持快速子程序调用和任务切换。
• 具备三个独立的数据指针，可自动递增/递减，加速数据移动。

（二）丰富的内存资源

• 包含64KB的闪存、4KB的RAM和4KB的ROM，闪存可多次编程，方便用户在生产后对应用进行修改。
• 支持哈佛架构和伪冯·诺依曼内存组织，以满足不同应用需求。

（三）多样化的外设接口

• 配备四个运算放大器，可用于信号调理。
• 7通道、12位ADC，具备内部参考和自动扫描功能，最高采样率可达312ksps。
• 双10位差分DAC和双8位单端DAC，满足不同的数模转换需求。
• 包含16位可编程定时器/计数器、通用异步/同步接收器 - 发送器（USART）、I²C端口和SPI主/从端口，方便与其他设备进行通信和数据交互。

（四）低功耗设计

• 在3.3V、10MHz闪存操作时，最大电流仅为3mA；在停止模式下，最大电流为4.5µA，还具备低功耗电源管理模式（PMM）。

三、技术参数

（一）绝对最大额定值

• 所有引脚（包括AVDD、DVDD）相对于地的电压范围为 -0.5V至 +3.6V。
• 除AVDD、DVDD外，任何引脚相对于地的电压范围为 -0.5V至（VDVDD + 0.5V）。
• 工作温度范围为 -40°C至 +85°C，存储温度范围为 -65°C至 +150°C。

（二）推荐直流工作条件

• 数字电源电压VDVDD和模拟电源电压VAVDD范围为2.7V至3.6V。
• 不同工作模式下的电流和时间参数，如在10MHz、3.3V时的有源电流为3.0mA，停止模式下的电流根据不同情况有所不同。

（三）各模块参数

1. 时钟源

外部时钟频率范围为DC至10MHz，内部环形振荡器频率为1MHz，系统时钟频率同样为DC至10MHz。

2. 闪存特性

闪存编程时间为20 - 40µs，页擦除时间和块擦除时间均为20 - 40ms，写/擦除周期可达1000次，数据保留时间在25°C时为100年。

3. 模数转换器

• 时钟频率范围为0.1 - 5MHz，输入电压范围根据单极性或双极性模式有所不同。
• 分辨率为12位，积分非线性为±1 - ±2 LSB，差分非线性为±1 LSB。

4. 数模转换器

• 不同DAC的分辨率、满量程输出电压、输出共模电压等参数各异，如DAC3和DAC4分辨率为8位。
• 更新率方面，部分DAC可达100ksps。

5. 运算放大器

• 失调电压在VCM = 2V时为 -8 - +8mV，失调漂移为10µV/°C。
• 输入偏置电流在25°C时可达1nA，共模抑制比为60 - 80dB。

6. 温度传感器

灵敏度为2.9304mV/°C，原始精度在未校正时为 -6 - +6°C。

7. 电流沉

分辨率为8位，满量程沉电流可达18.0mA，零量程沉电流最大为1µA。

8. SPI接口

• 主模式下工作频率可达fsys/2 MHz，从模式下工作频率可达fSys/4 kHz。
• 各信号的时间参数，如SCLK输出脉冲宽度、I/O上升/下降时间等，都有相应的规定。

9. I²C总线控制器

• 不同模式下的电气特性和时序参数不同，如标准模式下工作频率为0 - 100kHz，快速模式下为0 - 400kHz。
• 包括输入输出电压、噪声裕量、各种时间参数等。

四、引脚描述

MAXQ8913的引脚可分为电源引脚、模拟测量引脚、复位引脚、时钟引脚、通用I/O和特殊功能引脚、杂项引脚以及无连接引脚。不同引脚具有不同的功能，例如：

• 电源引脚提供数字和模拟电源及地，REG18引脚提供1.8V内部稳压输出。
• 模拟测量引脚包括运算放大器的输入输出引脚、ADC输入引脚、DAC输出引脚和可编程电流沉引脚等。
• 时钟引脚用于连接外部晶体或接收外部时钟信号，为系统提供时钟源。

五、详细功能分析

（一）MAXQ核心架构

采用高效的16位RISC架构，指令包含操作码和数据，无需流水线即可在一个周期内完成取指和执行操作，系统工作频率每MHz可达1MIPS。同时，16级硬件堆栈和多个数据指针提高了程序执行和数据处理的效率。

（二）指令集

由定长的16位指令组成，操作于寄存器和内存位置，具有高度正交性。采用传输触发架构，某些寄存器的读写会产生副作用，汇编器会处理编码，方便程序员使用。

（三）内存组织

具有多种内存区域，包括用于存储程序的闪存、存储临时变量的SRAM、存储子程序的实用ROM和用于存储程序返回地址的堆栈内存。默认采用哈佛架构，也支持伪冯·诺依曼内存组织。

（四）编程方式

1. 系统内编程（Bootloader）

可通过简单的JTAG接口重新加载程序，实现系统内软件升级，适用于远程软件更新。支持加载、转储、CRC校验、验证和擦除等功能。

2. 应用内编程

允许微控制器在执行应用程序的同时修改自身的闪存程序内存，适用于关键任务应用的实时软件更新。

（五）寄存器集

包括系统寄存器和外设寄存器，用于控制设备的各种功能，详细信息可参考相关用户指南。

（六）可编程定时器

包含一个16位可编程定时器/计数器B，支持多种工作模式，如自动重载、捕获、PWM等，可精确控制内部和外部事件。

（七）看门狗定时器

可提高系统可靠性，当软件执行受干扰时，定时器会重置设备。用户可通过WDCN寄存器设置其超时时间，在复位前512个系统时钟会触发中断。

（八）运算放大器

包含四个未连接的运算放大器，其输出连接到ADC通道2 - 5。使用时需注意设置增益和偏移，以确保输出不超过参考电压。

（九）差分DAC和外部D类放大器输出级操作

用于驱动立体声D类放大器，每个放大器由10位DAC差分驱动。通过设置SYNCIN_DIV控制D类放大器锯齿波发生器的输入时钟频率，启动和关闭D类放大器有相应的步骤。

（十）其他功能

• DAC1和DAC2的正输出端有缓冲，主要用于测试。
• DAC3和DAC4为单端DAC，可用于驱动单电源运算放大器。
• SINK1和SINK2为可编程电流沉，用于驱动霍尔效应元件。

六、开发与支持

（一）开发工具

Maxim和第三方供应商提供了多种开发工具，包括编译器、在线仿真器、集成开发环境（IDE）和JTAG - 串口转换器等。部分开发工具供应商信息可在www.maxim-ic.com/MAXQ_tools查询。

（二）技术支持

如需技术支持，可访问https://support.maximic.com/micro。

七、总结

MAXQ8913以其丰富的功能、高性能和低功耗的特点，为伺服环路控制应用提供了强大的支持。无论是在光学图像稳定系统还是其他伺服控制场景中，它都能满足各种需求。电子工程师在设计相关系统时，可充分利用其特性，提高设计的效率和质量。你在使用类似微控制器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。