MAXQ8913：一體化伺服環(huán)路控制的16位混合信號(hào)微控制器

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于高性能、低功耗且功能集成度高的微控制器需求日益增長(zhǎng)。MAXIM推出的MAXQ8913 16位混合信號(hào)微控制器，集成了運(yùn)算放大器、ADC和DAC等多種功能，為一體化伺服環(huán)路控制提供了出色的解決方案。下面就來(lái)詳細(xì)了解一下這款微控制器。

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一、概述

MAXQ8913是一款單芯片伺服控制器，專為雙軸光學(xué)圖像穩(wěn)定（OIS）應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是該類應(yīng)用的完整解決方案。不過(guò)，它的應(yīng)用范圍并不局限于此，在其他類型的伺服控制中也能發(fā)揮出色的作用，支持音圈和步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用。

該芯片集成了傳感器信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、使用16位RISC微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)字伺服算法、數(shù)模轉(zhuǎn)換等必要元素，還包含雙伺服放大器。此外，它還具有低功耗睡眠模式、可選擇性禁用外設(shè)以及多種節(jié)能操作模式，以實(shí)現(xiàn)極致的低功耗性能。

二、關(guān)鍵特性

（一）高性能低功耗核心

• 采用高性能、低功耗的16位MAXQ? RISC內(nèi)核，具備單周期16 x 16硬件乘法/累加功能，帶有48位累加器，能在DC至10MHz頻率下工作，接近每MHz 1MIPS的處理能力。
• 擁有16級(jí)硬件堆棧，支持快速子程序調(diào)用和任務(wù)切換。
• 具備三個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)指針，可自動(dòng)遞增/遞減，加速數(shù)據(jù)移動(dòng)。

（二）豐富的內(nèi)存資源

• 包含64KB的閃存、4KB的RAM和4KB的ROM，閃存可多次編程，方便用戶在生產(chǎn)后對(duì)應(yīng)用進(jìn)行修改。
• 支持哈佛架構(gòu)和偽馮·諾依曼內(nèi)存組織，以滿足不同應(yīng)用需求。

（三）多樣化的外設(shè)接口

• 配備四個(gè)運(yùn)算放大器，可用于信號(hào)調(diào)理。
• 7通道、12位ADC，具備內(nèi)部參考和自動(dòng)掃描功能，最高采樣率可達(dá)312ksps。
• 雙10位差分DAC和雙8位單端DAC，滿足不同的數(shù)模轉(zhuǎn)換需求。
• 包含16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、通用異步/同步接收器 - 發(fā)送器（USART）、I2C端口和SPI主/從端口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。

（四）低功耗設(shè)計(jì)

• 在3.3V、10MHz閃存操作時(shí)，最大電流僅為3mA；在停止模式下，最大電流為4.5μA，還具備低功耗電源管理模式（PMM）。

三、技術(shù)參數(shù)

（一）絕對(duì)最大額定值

• 所有引腳（包括AVDD、DVDD）相對(duì)于地的電壓范圍為 -0.5V至 +3.6V。
• 除AVDD、DVDD外，任何引腳相對(duì)于地的電壓范圍為 -0.5V至（VDVDD + 0.5V）。
• 工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C至 +150°C。

（二）推薦直流工作條件

• 數(shù)字電源電壓VDVDD和模擬電源電壓VAVDD范圍為2.7V至3.6V。
• 不同工作模式下的電流和時(shí)間參數(shù)，如在10MHz、3.3V時(shí)的有源電流為3.0mA，停止模式下的電流根據(jù)不同情況有所不同。

（三）各模塊參數(shù)

1. 時(shí)鐘源

外部時(shí)鐘頻率范圍為DC至10MHz，內(nèi)部環(huán)形振蕩器頻率為1MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率同樣為DC至10MHz。

2. 閃存特性

閃存編程時(shí)間為20 - 40μs，頁(yè)擦除時(shí)間和塊擦除時(shí)間均為20 - 40ms，寫/擦除周期可達(dá)1000次，數(shù)據(jù)保留時(shí)間在25°C時(shí)為100年。

3. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

• 時(shí)鐘頻率范圍為0.1 - 5MHz，輸入電壓范圍根據(jù)單極性或雙極性模式有所不同。
• 分辨率為12位，積分非線性為±1 - ±2 LSB，差分非線性為±1 LSB。

4. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器

• 不同DAC的分辨率、滿量程輸出電壓、輸出共模電壓等參數(shù)各異，如DAC3和DAC4分辨率為8位。
• 更新率方面，部分DAC可達(dá)100ksps。

5. 運(yùn)算放大器

• 失調(diào)電壓在VCM = 2V時(shí)為 -8 - +8mV，失調(diào)漂移為10μV/°C。
• 輸入偏置電流在25°C時(shí)可達(dá)1nA，共模抑制比為60 - 80dB。

6. 溫度傳感器

靈敏度為2.9304mV/°C，原始精度在未校正時(shí)為 -6 - +6°C。

7. 電流沉

分辨率為8位，滿量程沉電流可達(dá)18.0mA，零量程沉電流最大為1μA。

8. SPI接口

• 主模式下工作頻率可達(dá)fsys/2 MHz，從模式下工作頻率可達(dá)fSys/4 kHz。
• 各信號(hào)的時(shí)間參數(shù)，如SCLK輸出脈沖寬度、I/O上升/下降時(shí)間等，都有相應(yīng)的規(guī)定。

9. I2C總線控制器

• 不同模式下的電氣特性和時(shí)序參數(shù)不同，如標(biāo)準(zhǔn)模式下工作頻率為0 - 100kHz，快速模式下為0 - 400kHz。
• 包括輸入輸出電壓、噪聲裕量、各種時(shí)間參數(shù)等。

四、引腳描述

MAXQ8913的引腳可分為電源引腳、模擬測(cè)量引腳、復(fù)位引腳、時(shí)鐘引腳、通用I/O和特殊功能引腳、雜項(xiàng)引腳以及無(wú)連接引腳。不同引腳具有不同的功能，例如：

• 電源引腳提供數(shù)字和模擬電源及地，REG18引腳提供1.8V內(nèi)部穩(wěn)壓輸出。
• 模擬測(cè)量引腳包括運(yùn)算放大器的輸入輸出引腳、ADC輸入引腳、DAC輸出引腳和可編程電流沉引腳等。
• 時(shí)鐘引腳用于連接外部晶體或接收外部時(shí)鐘信號(hào)，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。

五、詳細(xì)功能分析

（一）MAXQ核心架構(gòu)

采用高效的16位RISC架構(gòu)，指令包含操作碼和數(shù)據(jù)，無(wú)需流水線即可在一個(gè)周期內(nèi)完成取指和執(zhí)行操作，系統(tǒng)工作頻率每MHz可達(dá)1MIPS。同時(shí)，16級(jí)硬件堆棧和多個(gè)數(shù)據(jù)指針提高了程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理的效率。

（二）指令集

由定長(zhǎng)的16位指令組成，操作于寄存器和內(nèi)存位置，具有高度正交性。采用傳輸觸發(fā)架構(gòu)，某些寄存器的讀寫會(huì)產(chǎn)生副作用，匯編器會(huì)處理編碼，方便程序員使用。

（三）內(nèi)存組織

具有多種內(nèi)存區(qū)域，包括用于存儲(chǔ)程序的閃存、存儲(chǔ)臨時(shí)變量的SRAM、存儲(chǔ)子程序的實(shí)用ROM和用于存儲(chǔ)程序返回地址的堆棧內(nèi)存。默認(rèn)采用哈佛架構(gòu)，也支持偽馮·諾依曼內(nèi)存組織。

（四）編程方式

1. 系統(tǒng)內(nèi)編程（Bootloader）

可通過(guò)簡(jiǎn)單的JTAG接口重新加載程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)軟件升級(jí)，適用于遠(yuǎn)程軟件更新。支持加載、轉(zhuǎn)儲(chǔ)、CRC校驗(yàn)、驗(yàn)證和擦除等功能。

2. 應(yīng)用內(nèi)編程

允許微控制器在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時(shí)修改自身的閃存程序內(nèi)存，適用于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)軟件更新。

（五）寄存器集

包括系統(tǒng)寄存器和外設(shè)寄存器，用于控制設(shè)備的各種功能，詳細(xì)信息可參考相關(guān)用戶指南。

（六）可編程定時(shí)器

包含一個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器B，支持多種工作模式，如自動(dòng)重載、捕獲、PWM等，可精確控制內(nèi)部和外部事件。

（七）看門狗定時(shí)器

可提高系統(tǒng)可靠性，當(dāng)軟件執(zhí)行受干擾時(shí)，定時(shí)器會(huì)重置設(shè)備。用戶可通過(guò)WDCN寄存器設(shè)置其超時(shí)時(shí)間，在復(fù)位前512個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)觸發(fā)中斷。

（八）運(yùn)算放大器

包含四個(gè)未連接的運(yùn)算放大器，其輸出連接到ADC通道2 - 5。使用時(shí)需注意設(shè)置增益和偏移，以確保輸出不超過(guò)參考電壓。

（九）差分DAC和外部D類放大器輸出級(jí)操作

用于驅(qū)動(dòng)立體聲D類放大器，每個(gè)放大器由10位DAC差分驅(qū)動(dòng)。通過(guò)設(shè)置SYNCIN_DIV控制D類放大器鋸齒波發(fā)生器的輸入時(shí)鐘頻率，啟動(dòng)和關(guān)閉D類放大器有相應(yīng)的步驟。

（十）其他功能

• DAC1和DAC2的正輸出端有緩沖，主要用于測(cè)試。
• DAC3和DAC4為單端DAC，可用于驅(qū)動(dòng)單電源運(yùn)算放大器。
• SINK1和SINK2為可編程電流沉，用于驅(qū)動(dòng)霍爾效應(yīng)元件。

六、開發(fā)與支持

（一）開發(fā)工具

Maxim和第三方供應(yīng)商提供了多種開發(fā)工具，包括編譯器、在線仿真器、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和JTAG - 串口轉(zhuǎn)換器等。部分開發(fā)工具供應(yīng)商信息可在www.maxim-ic.com/MAXQ_tools查詢。

（二）技術(shù)支持

如需技術(shù)支持，可訪問(wèn)https://support.maximic.com/micro。

七、總結(jié)

MAXQ8913以其豐富的功能、高性能和低功耗的特點(diǎn)，為伺服環(huán)路控制應(yīng)用提供了強(qiáng)大的支持。無(wú)論是在光學(xué)圖像穩(wěn)定系統(tǒng)還是其他伺服控制場(chǎng)景中，它都能滿足各種需求。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)時(shí)，可充分利用其特性，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。你在使用類似微控制器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。