MAXQ8913：一體化伺服環路控制的16位混合信號微控制器

在當今的電子設計領域，對于高性能、低功耗且功能集成度高的微控制器需求日益增長。MAXIM推出的MAXQ8913 16位混合信號微控制器，集成了運算放大器、ADC和DAC等多種功能，為一體化伺服環路控制提供了出色的解決方案。下面就來詳細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，專為雙軸光學圖像穩定（OIS）應用而設計，是該類應用的完整解決方案。不過，它的應用范圍并不局限于此，在其他類型的伺服控制中也能發揮出色的作用，支持音圈和步進電機應用。

該芯片集成了傳感器信號調理、模數轉換、使用16位RISC微控制器實現數字伺服算法、數模轉換等必要元素，還包含雙伺服放大器。此外，它還具有低功耗睡眠模式、可選擇性禁用外設以及多種節能操作模式，以實現極致的低功耗性能。

二、關鍵特性

（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級硬件堆棧，支持快速子程序調用和任務切換。
• 具備三個獨立的數據指針，可自動遞增/遞減，加速數據移動。

（二）豐富的內存資源

• 包含64KB的閃存、4KB的RAM和4KB的ROM，閃存可多次編程，方便用戶在生產后對應用進行修改。
• 支持哈佛架構和偽馮·諾依曼內存組織，以滿足不同應用需求。

（三）多樣化的外設接口

• 配備四個運算放大器，可用于信號調理。
• 7通道、12位ADC，具備內部參考和自動掃描功能，最高采樣率可達312ksps。
• 雙10位差分DAC和雙8位單端DAC，滿足不同的數模轉換需求。
• 包含16位可編程定時器/計數器、通用異步/同步接收器 - 發送器（USART）、I2C端口和SPI主/從端口，方便與其他設備進行通信和數據交互。

（四）低功耗設計

• 在3.3V、10MHz閃存操作時，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、技術參數

（一）絕對最大額定值

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

（二）推薦直流工作條件

• 數字電源電壓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間參數，如在10MHz、3.3V時的有源電流為3.0mA，停止模式下的電流根據不同情況有所不同。

（三）各模塊參數

1. 時鐘源

外部時鐘頻率范圍為DC至10MHz，內部環形振蕩器頻率為1MHz，系統時鐘頻率同樣為DC至10MHz。

2. 閃存特性

閃存編程時間為20 - 40μs，頁擦除時間和塊擦除時間均為20 - 40ms，寫/擦除周期可達1000次，數據保留時間在25°C時為100年。

3. 模數轉換器

• 時鐘頻率范圍為0.1 - 5MHz，輸入電壓范圍根據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. 數模轉換器

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

5. 運算放大器

• 失調電壓在VCM = 2V時為 -8 - +8mV，失調漂移為10μV/°C。
• 輸入偏置電流在25°C時可達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為 -6 - +6°C。

7. 電流沉

分辨率為8位，滿量程沉電流可達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fsys/2 MHz，從模式下工作頻率可達fSys/4 kHz。
• 各信號的時間參數，如SCLK輸出脈沖寬度、I/O上升/下降時間等，都有相應的規定。

9. I2C總線控制器

• 不同模式下的電氣特性和時序參數不同，如標準模式下工作頻率為0 - 100kHz，快速模式下為0 - 400kHz。
• 包括輸入輸出電壓、噪聲裕量、各種時間參數等。

四、引腳描述

MAXQ8913的引腳可分為電源引腳、模擬測量引腳、復位引腳、時鐘引腳、通用I/O和特殊功能引腳、雜項引腳以及無連接引腳。不同引腳具有不同的功能，例如：

• 電源引腳提供數字和模擬電源及地，REG18引腳提供1.8V內部穩壓輸出。
• 模擬測量引腳包括運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。
• 時鐘引腳用于連接外部晶體或接收外部時鐘信號，為系統提供時鐘源。

五、詳細功能分析

（一）MAXQ核心架構

采用高效的16位RISC架構，指令包含操作碼和數據，無需流水線即可在一個周期內完成取指和執行操作，系統工作頻率每MHz可達1MIPS。同時，16級硬件堆棧和多個數據指針提高了程序執行和數據處理的效率。

（二）指令集

由定長的16位指令組成，操作于寄存器和內存位置，具有高度正交性。采用傳輸觸發架構，某些寄存器的讀寫會產生副作用，匯編器會處理編碼，方便程序員使用。

（三）內存組織

具有多種內存區域，包括用于存儲程序的閃存、存儲臨時變量的SRAM、存儲子程序的實用ROM和用于存儲程序返回地址的堆棧內存。默認采用哈佛架構，也支持偽馮·諾依曼內存組織。

（四）編程方式

1. 系統內編程（Bootloader）

可通過簡單的JTAG接口重新加載程序，實現系統內軟件升級，適用于遠程軟件更新。支持加載、轉儲、CRC校驗、驗證和擦除等功能。

2. 應用內編程

允許微控制器在執行應用程序的同時修改自身的閃存程序內存，適用于關鍵任務應用的實時軟件更新。

（五）寄存器集

包括系統寄存器和外設寄存器，用于控制設備的各種功能，詳細信息可參考相關用戶指南。

（六）可編程定時器

包含一個16位可編程定時器/計數器B，支持多種工作模式，如自動重載、捕獲、PWM等，可精確控制內部和外部事件。

（七）看門狗定時器

可提高系統可靠性，當軟件執行受干擾時，定時器會重置設備。用戶可通過WDCN寄存器設置其超時時間，在復位前512個系統時鐘會觸發中斷。

（八）運算放大器

包含四個未連接的運算放大器，其輸出連接到ADC通道2 - 5。使用時需注意設置增益和偏移，以確保輸出不超過參考電壓。

（九）差分DAC和外部D類放大器輸出級操作

用于驅動立體聲D類放大器，每個放大器由10位DAC差分驅動。通過設置SYNCIN_DIV控制D類放大器鋸齒波發生器的輸入時鐘頻率，啟動和關閉D類放大器有相應的步驟。

（十）其他功能

• DAC1和DAC2的正輸出端有緩沖，主要用于測試。
• DAC3和DAC4為單端DAC，可用于驅動單電源運算放大器。
• SINK1和SINK2為可編程電流沉，用于驅動霍爾效應元件。

六、開發與支持

（一）開發工具

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

（二）技術支持

如需技術支持，可訪問https://support.maximic.com/micro。

七、總結

MAXQ8913以其豐富的功能、高性能和低功耗的特點，為伺服環路控制應用提供了強大的支持。無論是在光學圖像穩定系統還是其他伺服控制場景中，它都能滿足各種需求。電子工程師在設計相關系統時，可充分利用其特性，提高設計的效率和質量。你在使用類似微控制器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。