Общая информация
5400ТР105-003 – Сбоеустойчивый контроллер архитектуры 8051 с напряжением питания до 15 В и возможностью конфигурирования аналого-цифровых блоков
Особенности микроконтроллера
- Напряжение питания:
- 5,0 В ± 10% – без использования встроенного линейного регулятора;
- 8,0 В…16,5 В – при использовании встроенного линейного регулятора.
- Динамический ток потребления: не более 10 мА (на частоте 8 МГц);
- Напряжение питания портов ввода/вывода: 1,8 В–5,0 В;
Вычислительное ядро:
- Система команд 8051, тактовая частота: до 8 МГц;
- Машинный цикл: 1 такт;
- Возможность выбора источника тактирования:
- кварцевый генератор
- RC-генератор
- внешний источник
- Настраиваемые прерывания по внешним событиям;
- Разработка программ в среде проектирования Keil uVision.
Встроенные периферийные модули:
- Интерфейсы
- два SPI;
- I2C;
- JTAG;
- Два модуля интерфейса UART с настраиваемой скоростью передачи;
- 24 универсальные линии ввода/вывода с индивидуальной настройкой направления;
- Вывод с открытым стоком для интерфейса 1-Wire;
- Три 24-разрядных таймера/счетчика;
- Один сторожевой таймер;
- Модуль перевода системы в режим пониженного энергопотребления (SLEEP).
Встроенные аналоговые и аналого-цифровые блоки:
- 4-канальный, 12-разрядный АЦП с частотой 500 квыб/с;
- 12-разрядный ЦАП;
- Источник опорного напряжения с масштабирующим ОУ (с возможностью программирования коэффициента усиления);
- RC-генератор с возможностью программирования частоты;
- Блок ФАПЧ с возможностью программирования коэффициента умножения;
- Супервизор питания;
- Регуляторы напряжения электропитания.
Память:
Режим «HARD»:
- память программ 4 кБ (ОППЗУ);
- память данных 4352 байт внешней (большая и малая ОЗУ) и 256 внутренней ОЗУ (ядро 8051).
Режим «SOFT»:
- память программ 4 кБ (большая ОЗУ);
- память данных 256 байт внешней (малая ОЗУ) и 256 внутренней ОЗУ (ядро 8051).
Функциональное назначение микросхемы:
- прием, усиление и обработка аналоговых и цифровых сигналов;
- реализация бортовых систем управления;
- аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигнала.
Электрические характеристики
| Параметр, единица измерения | Норма параметра | ||
|---|---|---|---|
| Не менее | Типовое | Не более | |
| Частота тактирования ядра, МГц | 8,0 | ||
| Выходное напряжение линейного регулятора, В 15 В –> 5,0 В (вывод VDD_5V, VDDA_5V) 5,0 В –> 3,7 В (вывод VDD_3V7) 5,0 В –>1,8 В (вывод VDD_1V8) | 4,5 3,5 1,62 | 5,0 3,7 1,8 | 5,25 4,1 1,98 |
| Ток потребления линейного регулятора 15 В –> 5,0 В в режиме «холостого хода», мкА | 6,0 | ||
| Нижняя граница диапазона настройки частоты RC-генератора, кГц | 90 | ||
| Верхняя граница диапазона настройки частоты RC-генератора, кГц | 400 | ||
| Ток потребления микросхемы, мА | 8,0 | 20 | |
| Ток в режиме низкого энергопотребления («SLEEP»), мА | 1,0 | ||
| Напряжение высокого уровня выходных цифровых сигналов, В при VDD_DR = 1,8 B при VDD_DR = 5,0 B | 1,4 4,6 | 1,8 5,0 | |
| Напряжение низкого уровня выходных цифровых сигналов, В при VDD_DR = 1,8 B при VDD_DR = 5,0 B | 0 0 | 0,4 0,4 | |
| Ток утечки портов ввода/вывода (GPIO), мкА | 20 | ||
| Нагрузочная способность портов ввода/вывода (GPIO), мА при VDD_DR = 1,8 B при VDD_DR = 5,0 B | 1,5 6,0 | | |
| Нагрузочная способность вывода DAC_OUT, мА | 1,0 | ||
| Дифференциальная нелинейность ЦАП, МЗР | -0,99 | 3,0 | |
| Интегральная нелинейность ЦАП, МЗР | -8,0 | 8,0 | |
| Дифференциальная нелинейность АЦП, МЗР | -0,99 | 1,0 | |
| Интегральная нелинейность АЦП, МЗР | -2,0 | 2,0 | |
Линейные регуляторы предназначены для формирования внутреннего питания, нагрузка выводов VDD_5V, VDD_3V7, VDD_1V8 недопустима.
Рекомендуемое значение напряжения питания микросхем составляет 5,0 В. Не все микросхемы работают в расширенном диапазоне напряжения питания 8,0 В…16,5 В.
При организации питания микроконтроллера от 5,0 В необходимо подавать напряжение 5,0 В на выводы VDD_15V (43), VDD_5V (4), VDDA_5V (35).
Справочные данные
| Ток потребления микросхемы в режиме «SLEEP», мкА T = 25°С | |
|---|---|
| частота тактирования ~ 300 кГц | 110 |
| частота тактирования ~ 50 кГц | 80 |
Задействованы следующие блоки: ИОН, регуляторы напряжения (15 В–>5,0 В; 5 В–>3,7 В; 5,0 В–>1,8 В), RC-генератор на низкой частоте, цифровая часть в режиме таймера.
| Ток потребления микросхемы в активном режиме, мА При напряжении питания 8,0 В. Тактирование от внешней частоты. T = 25°С. | |
|---|---|
| частота тактирования ~ 1 МГц | 1,8 |
| частота тактирования ~ 2 МГц | 3,15 |
| частота тактирования ~ 4 МГц | 5,3 |
| частота тактирования ~ 8 МГц | 9,8 |
| Ток потребления микросхемы в активном режиме, мА При напряжении питания 15 В. Тактирование от внешней частоты. T = 25°С. | |
|---|---|
| частота тактирования ~ 1 МГц | 2,0 |
| частота тактирования ~ 2 МГц | 3,5 |
| частота тактирования ~ 4 МГц | 6,0 |
| частота тактирования ~ 8 МГц | 10,5 |
| Ток потребления линейных регуляторов в режиме «холостого хода», мкА T = 25°С. | |
|---|---|
| при входном напряжении 7,0 В…15 В | 6,0 |
| при входном напряжении 5,0 В | 3,5 |
| Длительность аналогового сигнала первоначального сброса (POR_RST), мс T = 25°С. | |
|---|---|
| для конденсатора 1,0 нФ | 0,15 – 0,175 |
| для конденсатора 10 нФ | 1,5 – 1,75 |
| для конденсатора 100 нФ | 15 – 17,5 |
Расчетная длительность аналогового сигнала первоначального сброса относительно «резкого» (1,0 мкс) включения питания на выводе VDD5V = 5,0 В. Замедление включения питания будет соответственно затягивать сброс. После срабатывания аналогового сброса добавляется еще цифровая фильтр-задержка в течении 1000 периодов частоты, установленной в качестве системной.
Электростатическая защита
Микросхема имеет встроенную защиту от электростатического разряда до 1000 В по модели человеческого тела. Требует мер предосторожности.
Диапазон входных/выходных сигналов
| Параметр, единица измерения | Предельно- допустимый режим | Предельный режим | ||
|---|---|---|---|---|
| не менее | не более | не менее | не более | |
| Напряжение питания (VDD_15V) (1), B | 8,0 | 16,5 | -0,1 | 17 |
| Аналоговое напряжение питания (VDDA_5V) (2), B | 4,5 | 5,25 | -0,1 | 5,5 |
| Цифровое напряжение питания (VDD_5V) (2), B | 4,5 | 5,25 | -0,1 | 5,5 |
| Напряжение питания интерфейсной части (VDD_DR), В | 1,7 | 5,25 | -0,1 | 5,5 |
| Напряжение программирования ПЗУ (VPP_9V), В | 8,5 | 9,0 | -0,1 | 9,5 |
| Напряжение внешнего опорного уровня АЦП (Vrp_ADC), В | 2,25 | 5,0 | -0,1 | 5,5 |
| Напряжение внешнего опорного уровня ЦАП (Vrp_DAC), В | 2,25 | 5,0 | -0,1 | 5,5 |
| Напряжение высокого уровня входных цифровых сигналов (GPIO в режиме входа, BOR_EXT/PGM, TM, DBG), В | VDD_DR– 0,4 | VDD_DR+ 0,3(3) | -0,1 | VDD_DR+ 0,5(4) |
| Напряжение низкого уровня входных цифровых сигналов (GPIO в режиме входа, BOR_EXT/PGM, TM, DBG), В | 0 | 0,4 | -0,1 | 5,5 |
| Температура эксплуатации, °С | -60 | +125 | -60 | +150 |
- Если используется линейный регулятор 15 В –>5,0 B, то питание микросхемы обеспечивается подачей напряжения на вывод VDD_15V. Не все
микросхемы работают в расширенном диапазоне напряжения питания 8,0 В…16,5 В.
- Если не используется линейный регулятор 15 В –> 5,0 В, то для организации питания микросхемы от 5,0 В
необходимо подавать данное напряжение на выводы VDD_15V (43), VDD_5V (4) и VDDA_5V (35).
- Не более 5,25 В.
- Не более 5,5 В.
Конфигурация и функциональное описание выводов
| № вывода | Наименование вывода | Назначение вывода |
|---|---|---|
| 1 | GPIOB_5 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №5 группы B |
| 2 | GPIOB_6 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №6 группы B |
| 3 | GPIOB_7 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №7 группы B |
| 4 | VDD_5V | Вывод цифрового положительного напряжения питания/ выходное напряжение LDO-регулятора 15 В –> 5,0 В |
| 5 | VC | Вывод блока ФАПЧ для подключения RC-фильтра. Если ФАПЧ не используется вывод подключить к VSSA (37) |
| 6 | GEN1 | Вход подключения кварцевого резонатора/вход для подачи внешней тактовой частоты |
| 7 | GEN2 | Вход подключения кварцевого резонатора / выход контроля поданной внешней частоты. При использовании внешнего генератора вывод не подключать. |
| 8 | VSSD | Вывод цифрового отрицательного напряжения питания |
| 9 | GPIOC 0/TCK | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №0 группы C/ вход TCK интерфейса JTAG в тестовом режиме |
| 10 | GPIOC 1/TMS | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №1 группы C/ вход TMS интерфейса JTAG в тестовом режиме |
| 11 | GPIOC 2/TDI | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №2 группы C/ вход TDI интерфейса JTAG в тестовом режиме |
| 12 | GPIOC 3/TDO | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №3 группы C/ выход TDO интерфейса JTAG в тестовом режиме |
| 13 | GPIOC 4 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №4 группы C |
| 14 | GPIOC 5 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №5 группы C |
| 15 | GPIOC 6 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №6 группы C |
| 16 | GPIOC 7 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №7 группы C |
| 17 | VDD_1V8 | Вывод напряжения питания ядра/выходное напряжение LDO-регулятора 5,0 В –> 1,8 В |
| 18 | VDD_DR | Вывод положительного напряжения питания универсальных портов ввода-вывода микроконтроллера 1,8 В – 5,0 В |
| 19 | 1W_IO | Вывод интерфейса 1-Wire (тип вывода – открытый сток). Если интерфейс не используется вывод не подключать |
| 20 | GPIOA 0 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №0 группы A |
| 21 | GPIOA 1 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №1 группы A |
| 22 | GPIOA 2 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №2 группы A |
| 23 | GPIOA 3 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №3 группы A |
| 24 | GPIOA 4 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №4 группы A |
| 25 | GPIOA 5 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №5 группы A |
| 26 | GPIOA 6 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №6 группы A |
| 27 | GPIOA 7 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №7 группы A |
| 28 | BOR_EXT/ PGM | Вход внешнего супервизора питания/вход выбора режима программирования ПЗУ в тестовом режиме: лог. «1» – перевод в режим программирования, от шины отключается CPU и подключается JTAG; лог. «0» – стандартная работа. |
| 29 | TM | Вход для выбора режима работы микроконтроллера: лог. «1» – тестовый режим; лог. «0» – стандартная работа. |
| 30 | DBG | Вход для выбора блока памяти, выполняющего роль ПЗУ: лог. «1» – память ПЗУ (ROM_RAM_4KB) 4 КБ, ОЗУ 256 Б; лог. «0» – память ПЗУ (ROM_OTP_4KB) 4 КБ, ОЗУ 4 КБ + 256 Б. |
| 31 | POR_RST | Вход для подключения внешнего конденсатора блока сброса |
| 32 | Vrp_DAC | Вывод положительного опорного напряжения ЦАП. Если ЦАП не используется вывод необходимо подключить к VSSA (37) |
| 33 | DAC_OUT | Выход ЦАП |
| 34 | VPP_9V | Вывод для программирования ПЗУ и конфигурационной памяти 9,0 В |
| 35 | VDDA_5V | Вывод аналогового положительного напряжения питания/ выходное напряжение LDO-регулятора 15 В –> 5,0 В |
| 36 | VDD_3V7 | Вывод положительного напряжения питания RC-генератора/ выходное напряжение LDO-регулятора 5,0 В –> 3,7 В |
| 37 | VSSA | Вывод аналогового отрицательного напряжения питания |
| 38 | Vrp_ADC | Вывод положительного опорного напряжения АЦП/выход масштабирующего ОУ (если ОУ включен в ходе настройки конфигурационной памяти) |
| 39 | A0 | Вход 0-го канала АЦП |
| 40 | A1 | Вход 1-го канала АЦП |
| 41 | A2 | Вход 2-го канала АЦП |
| 42 | A3 | Вход 3-го канала АЦП |
| 43 | VDD_15V | Вывод положительного напряжения питания 15 В. |
| 44 | GPIOB 0/H_S | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №0 группы B/ выбор режима конфигурационной памяти в тестовом режиме |
| 45 | GPIOB 1 /RC_CLKOUT | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №1 группы B/ выходная частота RC-генератора в тестовом режиме |
| 46 | GPIOB 2 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №2 группы B |
| 47 | GPIOB 3 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №3 группы B |
| 48 | GPIOB 4 | Порт ввода-вывода микроконтроллера, разряд №4 группы B |
Рекомендуемая схема применения
Конденсаторы высокочастотные керамические, либо сдвоенные. В случае сдвоенных конденсаторов, один из них обязательно должен быть высокочастотный керамический емкостью не менее 10 нФ. Шунтирующие конденсаторы должны располагаться на плате в непосредственной близости к соответствующим выводам микросхемы.
| Компонент | Номинал | Компонент | Номинал |
|---|---|---|---|
| R1 | 1 – 2 МОм | C3 | 10 нФ |
| R2 | 2 – 20 кОм | C4 | 1 нФ |
| R3 | 100 Ом | C5 | 20 нФ |
| R4 | 4,7 кОм | С6 – C13 | 100 – 200 нФ |
| C1, С2 | 16 – 64 пФ | ZQ | кварцевый резонатор с частотой до 8 МГц |
(при питании в диапазоне 8,0 В – 16,5 В)
(при питании 5,0 В)
Важные замечания при работе с микросхемой
- Если 1-Wire интерфейс не используется, то вывод 1W_IO (19) необходимо оставить в обрыве.
- Если ФАПЧ не используется, то вывод VC (5) подключить к VSSA (37).
- Если размах цифровых уровней генератора 5,0 В, а напряжение питания портов ввода-вывода отлично от 5,0 В (например, 3,3 В или 1,8 В), то в конфигурационной памяти необходимо выбрать источник тактирования «Кварцевый резонатор» (GEN1_QV или GEN1_QV+PLL) путем записи советующих бит в регистр ANALOG_O_PLL .
- Если ЦАП не используется, то вывод Vrp_DAC (32) необходимо подключить к VSSA (37).
- Если АЦП не используется, то выводы A3 – A0 необходимо подключить к VSSA (37).
- На выводы Vrp_DAC и Vrp_ADC задается внешнее опорное напряжение для блоков АЦП и ЦАП. Есть возможность формирования внутреннего опорного напряжения с помощью масштабирующего операционного усилителя (МОУ). Для этого необходимо включить МОУ и настроить коэффициент масштабирования в регистре ANALOG_O_BUF конфигурационной памяти согласно таблице. Данное напряжение подается на вывод Vrp_ADC. Это же напряжение можно подать и на вход опорного уровня ЦАП с помощью внешнего соединения выводов Vrp_ADC и Vrp_DAC.
При TM = «1» микросхема работает в тестовом режиме (подробнее см. Конфигурационная память (ANALOG_CFG)), H_S=«1» (источником данных конфигурационной памяти являются регистры) и в бит REF_OUT_DISABLE регистра ANALOG_O_RC_R записан лог. «0», выход 39 работает как тестовый вывод опорного напряжения.
В данном режиме нельзя подключать вывод 39 к VSSA (37), т.к. данный опорный уровень вместе с линейными регуляторами формирует питание аналоговой и цифровой частей микросхемы.
В случае перехода в тестовый режим и когда источником данных конфигурационной памяти являются регистры (H_S = «1») рекомендуется всегда записывать в бит REF_OUT_DISABLE регистра ANALOG_O_RC_R лог. «1».
В случае перехода в тестовый режим и когда источником данных конфигурационной памяти является ПЗУ (H_S = «0») в бите REF_OUT_DISABLE регистра ANALOG_O_RC_R по умолчанию уже записана лог. «1».
Также биты V_REF в регистре ANALOG_O_REF являются технологическими и уже настроены и прошиты в ПЗУ на этапе производства. При прожиге конфигурационной памяти следует убедиться, что данные биты не содержат лог «1».
Тактирование микроконтроллера
Микросхема содержит встроенный RC-генератор. Поддерживается конфигурация, при которой в качестве частоты по умолчанию возможно установить частоту от внутреннего RC-генератора. Данная частота будет использоваться системой при включении питания.
Возможность подключения внешней RC-цепи отсутствует.
Выбор источника тактирования осуществляется в конфигурационной памяти.
При использовании внешнего генератора, вывод GEN2 (7) необходимо оставить в обрыве. Частота задается на вывод GEN1 (6) без внешних компонентов. Максимальная частота тактирования – 8 МГц.
Размах цифровых сигналов генератора от VSSD до VDD_DR. Если размах цифровых уровней генератора 5,0 В, а напряжение питания портов ввода-вывода отлично от 5,0 В (например, 3,3 В или 1,8 В), то необходимо выбрать источник тактирования «Кварцевый резонатор» и частоту подавать на вывод GEN1 (вывод 6), вывод GEN2 (7) оставить в обрыве.
Настройка RC-генератора может осуществляться от 40–60 кГц до 1,0–1,5 МГц с расчетной точностью от 0,1…0,3 кГц в нижней области диапазона и до 2,0…20 кГц в верхней области диапазона.
На графике представлена экспериментальная температурная зависимость для генератора, настроенного на 50 кГц. Температурная зависимость при измерениях составила 13,6 Гц/°С, если нормировать на 50 кГц, то 0,027 %/°С.