CM1103 是北京士模微电子推出的16 位 ΔΣ 型 ADC，具备2.5V 至 5V 宽电源范围，集成低漂移电压基准、振荡器、可编程增益放大器（PGA）及数字比较器；支持4 个单端或 2 个差分输入，通过 PGA 实现 ±256mV 至 ±6.144V 可编程输入范围，数据速率可编程为6.25SPS 至 2kSPS，连续转换模式功耗仅260μA；采用I²C 接口通信，ADDR 管脚可配置 4 种从地址，支持单次 / 连续转换模式，符合AEC-Q100 规范，工作温度覆盖 - 40℃~125℃，提供 MSOP10 和 QFN10 两种封装，适用于手持式仪表、电池监测、消费电子等场景

1. 基础信息

1.1 产品定位与文档历史

• 产品定位：一款高精度、低功耗、兼容 I²C 接口的16 位 ΔΣ 型 ADC，内部集成低漂移电压基准、振荡器、可编程增益放大器（PGA）和数字比较器，无需大量外围器件即可实现数据采集。
• 文档版本：| 文档版本 | 修订日期 | 核心更新内容 || --- | --- | --- || V1.0 | 2023-12-04 | 初版发布，定义产品核心参数、功能及应用场景 || V1.1 | 2024-08-26 | 新增AEC-Q100 认证信息，拓展汽车电子等严苛场景适用性 |

1.2 封装与温度范围

• 封装类型：提供两种封装，满足不同 PCB 布局需求：
  • MSOP10：典型尺寸 3.0mm×3.0mm，管脚间距 0.5mm（BSC），适合常规焊接工艺。
  • QFN10：典型尺寸 1.5mm（D）×2.0mm（E），无引脚外露，适合高密度布局。
• 温度范围：
  • 工作温度：-40℃~125℃
  • 存储温度：-60℃~150℃
  • 结温：-40℃~150℃

2. 核心特性与电气规格

2.1 核心特性

• 电源特性：
  • 电源电压范围：2.5V~5V，适配多种供电场景（如电池、稳压电源）。
  • 功耗：连续转换模式典型值260μA，断电模式典型值0.5μA（TA=25℃），极低功耗适合电池供电设备。
• 输入与量程：
  • 输入通道：4 个单端输入（AIN0-AIN3） 或 2 个差分输入，通过 MUX [2:0] 配置（详见 “工作原理 - 多路选择器”）。
  • 可编程量程：由 PGA [2:0] 控制，覆盖 ±256mV 至 ±6.144V，对应 LSB 如下表：| FSR（满量程范围） | LSB（最小量化单位） || --- | --- || ±6.144V | 187.5μV || ±4.096V | 125μV || ±2.048V | 62.5μV（默认 FSR） || ±1.024V | 31.25μV || ±0.512V | 15.625μV || ±0.256V | 7.8125μV |
• 性能参数：
  • 分辨率：16 位（无失码）
  • 数据速率：可编程为6.25SPS、12.5SPS、25SPS、50SPS、100SPS、400SPS、1kSPS、2kSPS（默认 100SPS）。
  • 线性度：INL（积分非线性）最大 **±1LSB**。
  • 增益误差：差分输入、FSR=±2.048V、TA=25℃时，典型值0.01%，最大值0.05%。
  • 共模抑制比（CMRR）：直流电压变化下典型值100dB，抗共模干扰能力强。

2.2 绝对最大额定值

参数类别	参数名称	最小值	最大值	单位
温度	工作温度	-40	125	℃
	存储温度	-60	150	℃
	结温	-40	150	℃
耐压	VDD（电源电压）	-0.3	7	V
	模拟输入	GND-0.3	VDD+0.3	V
	数字输入	GND-0.3	5.5	V
防护	ESD HBM（人体放电模式）	4000	-	V
	ESD CDM（带电器件模式）	1000	-	V

3. 工作原理

3.1 多路选择器（MUX）

通过 Config 寄存器的MUX [2:0] 位配置输入通道，共 8 种选择，涵盖 4 个单端输入和 4 个差分输入，具体如下：

MUX[2:0]	输入配置（AINP = 正端，AINN = 负端）	输入类型
000	AINP=AIN0，AINN=AIN1	差分
001	AINP=AIN0，AINN=AIN3	差分
010	AINP=AIN1，AINN=AIN3	差分
011	AINP=AIN2，AINN=AIN3	差分
100	AINP=AIN0，AINN=GND	单端
101	AINP=AIN1，AINN=GND	单端
110	AINP=AIN2，AINN=GND	单端
111	AINP=AIN3，AINN=GND	单端

3.2 基准电压与振荡器

• 基准电压：集成低温漂内部电压基准，仅提供内部参考，不对外输出，避免外部干扰影响基准精度。
• 振荡器：内置500kHz 振荡器，数据速率与内部时钟频率成正比，无需外部时钟源，简化硬件设计。

3.3 数字比较器

• 工作模式：通过 Config 寄存器的COMP_MODE 位选择：
  • 常规比较器：转换数据＞Hi_thresh 时，ALERT/RDY 置位；数据＜Lo_thresh 时，置位取消。
  • 窗口比较器：转换数据＞Hi_thresh 或＜Lo_thresh 时，ALERT/RDY 置位。
• 输出配置：
  • 极性：COMP_POL 位控制（0 = 低电平响应，1 = 高电平响应）。
  • 锁存：COMP_LAT 位控制（1 = 置位后锁存，需读 Conversion 寄存器清除；0 = 不锁存）。
  • 触发次数：COMP_QUE [1:0] 位设置（00=1 次、01=2 次、10=4 次转换超阈值后置位；11 = 禁用比较器，ALERT/RDY 高阻）。

3.4 转换就绪功能

ALERT/RDY 管脚可配置为转换就绪管脚，配置方法：

1. Hi_thresh 寄存器最高位设 1，Lo_thresh 寄存器最高位设 0。
2. COMP_QUE [1:0]≠11（禁用比较器）。

• 单次转换模式：COMP_POL=0 时，转换完成后 ALERT/RDY 变低；COMP_POL=1 时变高。
• 连续转换模式：每次转换完成后，ALERT/RDY 输出约 8μs 的脉冲（COMP_POL=0 为低脉冲，=1 为高脉冲）。

3.5 噪声性能

ΔΣ ADC 通过过采样原理优化噪声，过采样比（OSR = 采样频率 / 数据速率）越高，噪声越低。VDD=3.3V 时，不同数据速率与 FSR 的噪声（RMS）如下表（节选关键值）：

数据速率（SPS）	FSR=±2.048V（μV RMS）	FSR=±0.256V（μV RMS）
6.25	62.5	7.81
100	62.5	7.81
1000	157.68	30.04
2000	306.25	60.44

4. 功能与模式

4.1 复位机制

• 上电复位：上电时自动复位，Config 寄存器所有位设为默认值，复位后进入断电模式（接口和数字模块活动，不转换）。
• I²C 复位：接收 I²C 通用呼叫复位命令（06h），效果与上电复位一致，支持软件触发复位。

4.2 转换模式

通过 Config 寄存器的MODE 位选择，两种模式切换需修改 MODE 位：

转换模式	MODE 位	核心特点	适用场景
单次转换	1	1. 初始为断电模式，OS 位写 1 启动转换（30μs 内启动，OS 位自动清 0）；2. 转换完成后，自动回到断电模式；3. 转换中写 OS 位无效。	低功耗场景（如电池设备，按需转换）
连续转换	0	1. 转换完成后，结果存入 Conversion 寄存器，立即开始下一次转换；2. 持续消耗电流，无空闲功耗。	高速、实时数据采集（如工厂自动化）

5. 数字接口与寄存器

5.1 I²C 接口

• 通信协议：兼容 I²C，总线空闲超过30ms超时，需重新初始化通信。
• 从地址选择：由 ADDR 管脚连接方式决定，共 4 种地址：| ADDR 管脚连接 | I²C 从地址（二进制） || --- | --- || GND | 1001000 || VDD | 1001001 || SDA | 1001010 || SCL | 1001011 |
• 时序规格（快速模式，VDD=2.5V~5.5V，TA=25℃）：| 时序参数 | 描述 | 最小值 | 最大值 | 单位 || --- | --- | --- | --- | --- || fSCL | SCL 时钟频率 | 0.01 | 1 | MHz || tLOW | SCL 低电平时间 | 1300 | - | ns || tHIGH | SCL 高电平时间 | 600 | - | ns || tSUDAT | 数据建立时间 | 100 | - | ns |

5.2 关键寄存器

CM1103 主要包含 4 个寄存器，通过 ADDRESS 寄存器的 P [1:0] 位选择：

寄存器名称	P[1:0]	访问类型	核心功能
ADDRESS	-	W	选择目标寄存器（P [1:0] = 00→CONVERSION，01→CONFIG 等）
CONVERSION	00	R	存储 16 位转换数据（D [15:0]），复位值 0000h
CONFIG	01	R/W	配置转换模式、通道、PGA、数据速率、比较器等（详见下表）
Lo_THRESH	10	R/W	比较器低阈值（16 位），复位值 8000h
Hi_THRESH	11	R/W	比较器高阈值（16 位），复位值 7FFFh

CONFIG 寄存器关键位配置（节选核心字段）：

位段	名称	功能描述	默认值
15	OS	启动单次转换（断电模式下写 1 有效，转换中自动清 0）	1h
14:12	MUX[2:0]	配置输入通道（见 “多路选择器” 表）	0h
11:9	PGA[2:0]	配置 FSR（见 “输入与量程” 表）	2h（±2.048V）
8	MODE	转换模式（0 = 连续，1 = 单次 / 断电）	1h
7:5	DR[2:0]	数据速率（000=6.25SPS，111=2kSPS）	4h（100SPS）

6. 应用与订购信息

6.1 典型应用场景

• 手持式仪表（如万用表、示波器）
• 电池电压 / 电流监测（低功耗适配电池供电）
• 消费电子（如智能家居传感器数据采集）
• 工厂自动化及过程控制（高线性度、抗干扰）

6.2 订购信息

型号	温度范围	封装类型	包装方式	包装数量
CM1103-SOPTA	-40℃~125℃	MSOP10	Reel（卷带）	4000 个 / 卷
CM1103-QFNTA	-40℃~125℃	QFN10	Reel（卷带）	5000 个 / 卷
CM1103-MSOTA-A	-40℃~125℃	MSOP10	Reel（卷带）	4000 个 / 卷

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4. 关键问题

问题 1：CM1103 的可编程增益放大器（PGA）如何配置不同量程，且不同量程对应的 LSB 是多少？在实际应用中，如何根据被测信号幅度选择合适的量程以保证测量精度？

答案：

1. PGA 配置与 LSB：CM1103 通过 Config 寄存器的PGA [2:0] 位配置量程（FSR），不同配置对应的 FSR 与 LSB 如下表：| PGA [2:0] | FSR（满量程范围） | LSB（最小量化单位） || --- | --- | --- || 000 | ±6.144V | 187.5μV || 001 | ±4.096V | 125μV || 010 | ±2.048V（默认） | 62.5μV || 011 | ±1.024V | 31.25μV || 100 | ±0.512V | 15.625μV || 101/110/111 | ±0.256V | 7.8125μV |

2. 量程选择原则：

   • 核心逻辑：让被测信号幅度尽量接近所选量程的满量程（FSR），避免信号过小导致量化误差占比过高，或信号过大导致钳位失真。
   • 举例：若被测信号为 0~1V（单端），选择 FSR=±2.048V（单端模式下实际量程 0~2.048V），此时 LSB=62.5μV，信号幅度覆盖量程约 50%，量化误差小；若选择 FSR=±6.144V，LSB=187.5μV，相同信号的量化误差占比会增大，精度降低；若信号超过 FSR（如 FSR=±0.256V 时测 0.3V 信号），输入会被钳位在 VDD+0.3V，导致测量值失真。

问题 2：CM1103 的 ALERT/RDY 管脚有 “比较器报警” 和 “转换就绪” 两种功能，实际应用中如何切换这两种功能？两种功能分别适用于什么场景？

答案：

一、功能切换配置

1. 切换为 “转换就绪” 功能（优先级高于比较器）：

   • 步骤 1：将Hi_THRESH 寄存器的最高位（bit15）设为 1，Lo_THRESH 寄存器的最高位（bit15）设为 0（这是功能切换的核心配置）。
   • 步骤 2：确保 Config 寄存器的COMP_QUE[1:0]≠11（11 为禁用比较器，会使 ALERT/RDY 高阻，无法实现就绪功能）。
   • 此时，COMP_MODE（比较器模式）和 COMP_LAT（锁存）位失效，ALERT/RDY 仅指示转换就绪。

2. 切换为 “比较器报警” 功能：

   • 步骤 1：恢复 Hi_THRESH 和 Lo_THRESH 寄存器的最高位（无需强制设为特定值，按实际阈值需求配置）。
   • 步骤 2：通过 Config 寄存器的COMP_QUE[1:0]≠11启用比较器，再配置 COMP_MODE（常规 / 窗口）、COMP_POL（输出极性）、COMP_LAT（锁存）等参数，ALERT/RDY 按比较器逻辑输出报警信号。

二、适用场景

功能	适用场景	示例
转换就绪	需实时判断转换是否完成，避免无效数据读取	单次转换模式下，MCU 通过检测 ALERT/RDY 电平，确认转换完成后再读取 Conversion 寄存器，防止读错数据
比较器报警	需监测信号是否超阈值，实现自动预警	电池电压监测：设 Hi_thresh=4.2V（电池满电）、Lo_thresh=2.7V（电池欠电），当电压超阈值时，ALERT/RDY 触发报警，MCU 无需持续读取数据，降低功耗

问题 3：CM1103 支持单次转换和连续转换两种模式，两种模式的功耗、工作流程有何差异？在电池供电的手持式仪表中，应优先选择哪种模式，为什么？

答案：

一、两种模式的差异

对比维度	单次转换模式（MODE=1）	连续转换模式（MODE=0）
工作流程	1. 初始处于断电模式（功耗极低）；2. Config 寄存器 OS 位写 1→30μs 内启动转换（OS 位自动清 0）；3. 转换完成→自动回到断电模式。	1. 模式使能后，立即启动第一次转换；2. 转换完成→结果存入寄存器，立即开始下一次转换；3. 持续循环，除非切换模式或复位。
功耗	转换时：典型 260μA；空闲时：典型 0.5μA（断电模式），平均功耗低。	全程：典型 260μA（无空闲状态），平均功耗高。
数据输出	单次转换输出 1 组数据，需再次触发才输出下一组。	连续输出数据，输出频率 = 配置的数据速率（如 100SPS = 每秒 100 组）。

二、电池供电仪表的模式选择：优先单次转换模式

原因如下：

1. 低功耗适配电池寿命：手持式仪表依赖电池供电，单次转换模式仅在需要测量时启动转换（耗电 260μA），测量完成后立即进入断电模式（耗电 0.5μA），大幅降低平均功耗。例如，若仪表每秒测量 1 次（1SPS），单次转换耗时约 0.1ms（按 2kSPS 速率算），每秒功耗 =（260μA×0.1ms）+（0.5μA×999.9ms）≈0.026μA・s + 0.49995μA・s≈0.526μA・s，远低于连续模式（260μA×1s=260μA・s），可显著延长电池寿命。
2. 匹配仪表使用场景：手持式仪表通常为 “按需测量”（如用户按下测量键才启动），而非 “实时连续监测”，单次转换模式可精准匹配该场景，避免连续模式下的无效功耗。
3. 精度保障：单次转换模式下，芯片从断电到启动的建立时间仅 30μs，且转换过程不受连续循环的干扰，测量精度与连续模式一致，不会因低功耗牺牲精度。