精密ADC中的偏置和增益校準(zhǔn)功能：自校準(zhǔn)

了解模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中的自校準(zhǔn)或內(nèi)部校準(zhǔn)功能。

在本系列之前，我們討論了兩點(diǎn)校準(zhǔn)可用于消除ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的偏移和增益誤差。根據(jù)所使用的硬件，可以使用定點(diǎn)或浮點(diǎn)方法來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)方程式。替代方法是使用包括集成校準(zhǔn)函數(shù)的ADC，因?yàn)樵诰_ADC中可能找到不同類型的校準(zhǔn)函數(shù)，即：

自我校準(zhǔn)

系統(tǒng)校準(zhǔn)

背景校準(zhǔn)

在本文中，我們將探討自校準(zhǔn)功能。

ADC校準(zhǔn)選項(xiàng)

一些ADC支持校準(zhǔn)模式，這可以簡化設(shè)計(jì)并幫助我們從系統(tǒng)處理器中節(jié)約一些中央處理單元（CPU）周期。在這種情況下，您只需要調(diào)整ADC設(shè)置，發(fā)送適當(dāng)?shù)男?zhǔn)命令，然后等待ADC確定偏移和增益誤差。

然后ADC將校準(zhǔn)信息存儲在其片上寄存器中，并使用它來校正后續(xù)的偏置和增益誤差的讀數(shù)。圖1顯示了得克薩斯儀器公司（TI）的ADS1246校準(zhǔn)框圖示例。

顯示校準(zhǔn)塊的ADS1246框圖示例

?圖1。顯示校準(zhǔn)塊的ADS1246框圖示例。圖片由TI提供

在圖1中，偏置寄存器（OFC）和滿量程寄存器（FSC）包含適當(dāng)?shù)男?zhǔn)值。從A/D（模擬-數(shù)字）轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的數(shù)字值中減去OFC的值，然后將結(jié)果乘以FSC除以400000h。

例如，當(dāng)FSC=800000h時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果將乘以2，因?yàn)镕SC值在代碼400000h處被標(biāo)準(zhǔn)化為1.0。ADS1246的校準(zhǔn)功能可通過以下方程式描述：

校準(zhǔn)啟動(dòng)后，ADC自動(dòng)設(shè)置OFC和FSC寄存器的值。然而，使用ADS1246，用戶可以直接將一些值寫入這些寄存器，這使得用戶能夠?qū)π?zhǔn)功能有更多的控制。

注意，雖然大多數(shù)ADC首先減去偏移校準(zhǔn)系數(shù)然后將其乘以增益誤差系數(shù)，但是存在先調(diào)整傳遞函數(shù)的斜率然后校正偏移誤差的ADC。例如，NXP MPCL500系列中包含的ADC使用多累積單元來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)功能（圖2）。

MPCL500系列框圖示例。

?圖2。MPCL500系列框圖示例。圖片由恩智浦提供

顯然，對于給定的系統(tǒng)，圖1和圖2中描述的兩種方法將具有不同的增益和偏移校準(zhǔn)系數(shù)。

通常，校準(zhǔn)程序有效地包括對已知輸入電壓執(zhí)行的一個(gè)或兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換。ADC使用這些轉(zhuǎn)換的結(jié)果來確定輸入輸出特性曲線的偏移和斜率，并相應(yīng)地更新其校準(zhǔn)寄存器。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器自校準(zhǔn)或內(nèi)部校準(zhǔn)

自校準(zhǔn)，有時(shí)稱為內(nèi)部校準(zhǔn)，試圖表征和補(bǔ)償ADC內(nèi)部塊的偏移和增益誤差。例如，對于具有集成PGA（可編程增益放大器）的Δ∑（Δ∑）ADC，自校準(zhǔn)從PGA和Δ∑調(diào)制器去除DC誤差。對于某些ADC，如AD7124-4，自校準(zhǔn)功能可執(zhí)行偏置（零刻度）和增益（滿刻度）校準(zhǔn)。然而，對于一些其他ADC，例如AD7172-2，自校準(zhǔn)程序僅執(zhí)行偏置校準(zhǔn)。

ADC內(nèi)部偏置校準(zhǔn)

對于內(nèi)部偏置校準(zhǔn)，所選ADC通道的輸入內(nèi)部短路。此外，將輸出代碼與理想值進(jìn)行比較，以確定偏移誤差。對于大多數(shù)ADC，例如ADS1260-Q1，輸入多路復(fù)用器被納入以將輸入從外部世界斷開，并在內(nèi)部將它們連接到公共電壓以執(zhí)行偏置校準(zhǔn)。ADS131M06的輸入多路復(fù)用器比ADS1260-Q1相對簡單，如圖3所示。

ADS131M06輸入多路復(fù)用器示意圖。

?圖3。ADS131M06輸入多路復(fù)用器示意圖。圖片由TI提供

如您所見，其中一個(gè)多路復(fù)用器配置MUXn[1:0]=01將兩個(gè)輸入短路到地。這種多路復(fù)用器配置可用于補(bǔ)償校準(zhǔn)。另一方面，一些ADC僅將其中一個(gè)輸入從外部電路斷開。例如，考慮AD7124-4的內(nèi)部連接，如圖4所示。

顯示AD7124-4內(nèi)部連接的框圖。

?圖4。顯示AD7124-4內(nèi)部連接的框圖。圖像由ADI提供

在偏置校準(zhǔn)過程中，兩個(gè)輸入短路在一起。然而，負(fù)輸入仍與外部電路相連。這就是為什么設(shè)備數(shù)據(jù)表建議設(shè)計(jì)師確保在偏置校準(zhǔn)期間，負(fù)輸入不存在任何多余的噪聲和干擾的原因。此外，在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，該輸入電壓不允許超過額定限值。

ADC內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)

滿刻度校準(zhǔn)通常通過向ADC輸入施加內(nèi)部生成的滿刻度電壓來執(zhí)行。如果ADC的輸入范圍為±VREF，則輸入在內(nèi)部與+VREF和-VREF線相連。已知輸入處于滿刻度水平，ADC可以確定所需的增益校準(zhǔn)系數(shù)。如果ADC具有積分PGA，那么內(nèi)部生成的電壓通常是ADC的參考電壓除以PGA的所選增益以避免超出ADC的范圍。這允許設(shè)備在每個(gè)增益設(shè)置下支持內(nèi)部滿刻度校準(zhǔn)。

具有校準(zhǔn)功能的ADC通常重復(fù)一定數(shù)量的零刻度和滿刻度測量（例如，16次），并平均轉(zhuǎn)換結(jié)果以計(jì)算校準(zhǔn)值。平均數(shù)據(jù)減少了轉(zhuǎn)換噪聲，提高了校準(zhǔn)精度。

ADC自校準(zhǔn)的有效性

下表1摘錄了AD7124-4數(shù)據(jù)表。

?表1。數(shù)據(jù)由ADI提供

應(yīng)用偏置校準(zhǔn)之前，ADC偏置為±15μV。然而，在偏置校準(zhǔn)之后，偏置誤差按照噪聲的順序，根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)表，其小于400 nV RMS。同樣地，增益校準(zhǔn)顯著地減小了ADC的增益誤差。

圖5比較了帶和不帶ADC校準(zhǔn)的RTD測量系統(tǒng)的誤差。本例中使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為AD7124-8。

使用AD7124-8的電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)示例。

?圖5。使用AD7124-8的電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)示例。圖像由ADI提供

如果不進(jìn)行校準(zhǔn)，測量誤差超出Pt100電阻式溫度檢測器的預(yù)期輪廓。然而，在25°C溫度下對ADC偏置和增益誤差進(jìn)行一次性校準(zhǔn)會導(dǎo)致誤差在預(yù)期范圍內(nèi)。注意，在此實(shí)例中，不去除由外部電路組件產(chǎn)生的偏移和增益誤差。關(guān)于常見電阻式溫度檢測器配置的校準(zhǔn)效果的綜合檢查，請參考ADI的參考設(shè)計(jì)。

如圖5和上述ADI參考設(shè)計(jì)的結(jié)果所示，許多應(yīng)用程序應(yīng)通過簡單地去除ADC偏移和增益誤差來滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而，隨著要求更高的應(yīng)用，我們可能需要系統(tǒng)校準(zhǔn)以消除ADC和外部電路中的偏移和增益誤差。

讓我們快速查看RTD應(yīng)用程序示例，了解外部電路的錯(cuò)誤可能有多大。

計(jì)算ADC誤差-系統(tǒng)校準(zhǔn)的有效性如何？

考慮圖6中的3線比例電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)。

示例3線比例電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)。

?圖6。示例3線比例電阻式溫度檢測器測量系統(tǒng)。

假設(shè)勵(lì)磁電流（Iexc1和Iexc2）為0.5 mA，參考電阻為RREF=1.6 kΩ，產(chǎn)生1.6 V的參考電壓。該電路中的主要誤差源為：

ADC偏置和增益誤差

參考電阻公差

Iexc1與Iexc2匹配

假設(shè)勵(lì)磁電流完全匹配或使用電流交換技術(shù)；因此，電流失誤差可忽略不計(jì)。這給我們帶來了一個(gè)主要的外部誤差來源：Rref公差。

讓我們來看看這個(gè)誤差有多大。使用上述比例電路，n位ADC產(chǎn)生的數(shù)字輸出通常可以通過以下方程式來描述：

假設(shè)Iexc1=Iexc2，上述方程式簡化為方程式1：

?方程式1。

假設(shè)Rref的實(shí)際值與其理想值略有不同，由下式給出：

將Rref，m代入方程式1，可得出：

使用泰勒級數(shù)概念，我們可以近似 

$$\frac{1}{1+\alpha }$$ 帶有1-α。因此，我們得出：

將其與方程式1中的理想關(guān)系進(jìn)行比較，我們觀察到Rref中的小誤差導(dǎo)致傳遞函數(shù)斜率中的相同誤差。如果我們使用0.1%的參考電阻（α=0.001），系統(tǒng)的實(shí)際增益將與其理想值相差0.1%，這意味著由于Rref公差，我們的增益誤差為0.1%。這個(gè)增益誤差可以與ADC增益誤差進(jìn)行比較，這取決于您選擇的ADC。

例如，在沒有校準(zhǔn)的情況下，ADS1260-Q1的最大增益誤差為0.6%。因此，在要求苛刻的應(yīng)用中，系統(tǒng)校準(zhǔn)能夠顯著提高精度。欲了解更多關(guān)于RTD應(yīng)用中誤差源的信息，請參閱TI的參考設(shè)計(jì)。在下一篇文章中，我們將繼續(xù)進(jìn)行討論，并探討精密ADC中的系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)模式。