精密ADC中的偏置和增益校準功能:自校準
了解模數(shù)轉換器(ADC)中的自校準或內部校準功能。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202409/462702.htm在本系列之前,我們討論了兩點校準可用于消除ADC(模數(shù)轉換器)的偏移和增益誤差。根據(jù)所使用的硬件,可以使用定點或浮點方法來實現(xiàn)校準方程式。替代方法是使用包括集成校準函數(shù)的ADC,因為在精確ADC中可能找到不同類型的校準函數(shù),即:
自我校準
系統(tǒng)校準
背景校準
在本文中,我們將探討自校準功能。
ADC校準選項
一些ADC支持校準模式,這可以簡化設計并幫助我們從系統(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,您只需要調整ADC設置,發(fā)送適當?shù)男拭?,然后等待ADC確定偏移和增益誤差。
然后ADC將校準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校準框圖示例。
顯示校準塊的ADS1246框圖示例
?圖1。顯示校準塊的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?shù)男手怠腁/D(模擬-數(shù)字)轉換過程產(chǎn)生的數(shù)字值中減去OFC的值,然后將結果乘以FSC除以400000h。
例如,當FSC=800000h時,A/D轉換結果將乘以2,因為FSC值在代碼400000h處被標準化為1.0。ADS1246的校準功能可通過以下方程式描述:
校準啟動后,ADC自動設置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,這使得用戶能夠對校準功能有更多的控制。
注意,雖然大多數(shù)ADC首先減去偏移校準系數(shù)然后將其乘以增益誤差系數(shù),但是存在先調整傳遞函數(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現(xiàn)校準功能(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系數(shù)。
通常,校準程序有效地包括對已知輸入電壓執(zhí)行的一個或兩個ADC轉換。ADC使用這些轉換的結果來確定輸入輸出特性曲線的偏移和斜率,并相應地更新其校準寄存器。
模數(shù)轉換器自校準或內部校準
自校準,有時稱為內部校準,試圖表征和補償ADC內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,自校準從PGA和Δ∑調制器去除DC誤差。對于某些ADC,如AD7124-4,自校準功能可執(zhí)行偏置(零刻度)和增益(滿刻度)校準。然而,對于一些其他ADC,例如AD7172-2,自校準程序僅執(zhí)行偏置校準。
ADC內部偏置校準
對于內部偏置校準,所選ADC通道的輸入內部短路。此外,將輸出代碼與理想值進行比較,以確定偏移誤差。對于大多數(shù)ADC,例如ADS1260-Q1,輸入多路復用器被納入以將輸入從外部世界斷開,并在內部將它們連接到公共電壓以執(zhí)行偏置校準。ADS131M06的輸入多路復用器比ADS1260-Q1相對簡單,如圖3所示。
ADS131M06輸入多路復用器示意圖。
?圖3。ADS131M06輸入多路復用器示意圖。圖片由TI提供
如您所見,其中一個多路復用器配置MUXn[1:0]=01將兩個輸入短路到地。這種多路復用器配置可用于補償校準。另一方面,一些ADC僅將其中一個輸入從外部電路斷開。例如,考慮AD7124-4的內部連接,如圖4所示。
顯示AD7124-4內部連接的框圖。
?圖4。顯示AD7124-4內部連接的框圖。圖像由ADI提供
在偏置校準過程中,兩個輸入短路在一起。然而,負輸入仍與外部電路相連。這就是為什么設備數(shù)據(jù)表建議設計師確保在偏置校準期間,負輸入不存在任何多余的噪聲和干擾的原因。此外,在進行校準時,該輸入電壓不允許超過額定限值。
ADC內部滿量程校準
滿刻度校準通常通過向ADC輸入施加內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系數(shù)。如果ADC具有積分PGA,那么內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。這允許設備在每個增益設置下支持內部滿刻度校準。
具有校準功能的ADC通常重復一定數(shù)量的零刻度和滿刻度測量(例如,16次),并平均轉換結果以計算校準值。平均數(shù)據(jù)減少了轉換噪聲,提高了校準精度。
ADC自校準的有效性
下表1摘錄了AD7124-4數(shù)據(jù)表。
?表1。數(shù)據(jù)由ADI提供
應用偏置校準之前,ADC偏置為±15μV。然而,在偏置校準之后,偏置誤差按照噪聲的順序,根據(jù)設備數(shù)據(jù)表,其小于400 nV RMS。同樣地,增益校準顯著地減小了ADC的增益誤差。
圖5比較了帶和不帶ADC校準的RTD測量系統(tǒng)的誤差。本例中使用的模數(shù)轉換器為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
如果不進行校準,測量誤差超出Pt100電阻式溫度檢測器的預期輪廓。然而,在25°C溫度下對ADC偏置和增益誤差進行一次性校準會導致誤差在預期范圍內。注意,在此實例中,不去除由外部電路組件產(chǎn)生的偏移和增益誤差。關于常見電阻式溫度檢測器配置的校準效果的綜合檢查,請參考ADI的參考設計。
如圖5和上述ADI參考設計的結果所示,許多應用程序應通過簡單地去除ADC偏移和增益誤差來滿足設計目標。然而,隨著要求更高的應用,我們可能需要系統(tǒng)校準以消除ADC和外部電路中的偏移和增益誤差。
讓我們快速查看RTD應用程序示例,了解外部電路的錯誤可能有多大。
計算ADC誤差-系統(tǒng)校準的有效性如何?
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)。
假設勵磁電流(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
假設勵磁電流完全匹配或使用電流交換技術;因此,電流失誤差可忽略不計。這給我們帶來了一個主要的外部誤差來源:Rref公差。
讓我們來看看這個誤差有多大。使用上述比例電路,n位ADC產(chǎn)生的數(shù)字輸出通??梢酝ㄟ^以下方程式來描述:
假設Iexc1=Iexc2,上述方程式簡化為方程式1:
?方程式1。
假設Rref的實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
11+α11+α 帶有1-α。因此,我們得出:
將其與方程式1中的理想關系進行比較,我們觀察到Rref中的小誤差導致傳遞函數(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%。這個增益誤差可以與ADC增益誤差進行比較,這取決于您選擇的ADC。
例如,在沒有校準的情況下,ADS1260-Q1的最大增益誤差為0.6%。因此,在要求苛刻的應用中,系統(tǒng)校準能夠顯著提高精度。欲了解更多關于RTD應用中誤差源的信息,請參閱TI的參考設計。在下一篇文章中,我們將繼續(xù)進行討論,并探討精密ADC中的系統(tǒng)校準和背景校準模式。
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