探討模數(shù)轉換器ADC的自校準功能

根據(jù)所使用的硬件，可以使用定點方法或浮點方法來實現(xiàn)校準方程。另一種方法是使用包含集成校準功能的ADC，因為在精密ADC中可能會找到不同類型的校準功能，即:

自校準

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，幫助我們從系統(tǒng)處理器中節(jié)省一些中央處理單元（CPU）周期。在這種情況下，你只需要調(diào)整ADC設置，發(fā)送適當?shù)男拭?，并等待ADC確定失調(diào)和增益誤差。

然后，ADC將校準信息存儲在片內(nèi)寄存器中，并用它來校正后續(xù)讀數(shù)的失調(diào)和增益誤差。圖 1 顯示了德州儀器 （TI）?ADS1246?的示例校準框圖。

圖1. ?ADS1246 框圖顯示校準塊示例。圖片由TI提供

在圖1中，失調(diào)寄存器（OFC）和滿量程寄存器（FSC）包含適當?shù)男手?。從A/D（模數(shù)轉換）轉換過程產(chǎn)生的數(shù)字值中減去OFC的值，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處歸一化為1.0。ADS1246的校準功能可以用以下公式描述：

啟動校準后，ADC自動設置OFC和FSC寄存器的值。但是，使用ADS1246，用戶可以直接將一些值寫入這些寄存器，從而使用戶能夠更好地控制校準功能。

請注意，雖然大多數(shù)ADC首先減去失調(diào)校準系數(shù)，然后將其乘以增益誤差系數(shù)，但也有些ADC是首先調(diào)整傳遞函數(shù)的斜率，然后校正失調(diào)誤差。例如，恩智浦MPC5500系列中的ADC使用乘法累加單元來實現(xiàn)校準功能（圖2）。

圖2. MPC5500系列框圖。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失調(diào)校準系數(shù)。

通常，校準過程實際上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-輸出特性曲線的失調(diào)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(nèi)部校準

自校準（有時稱為內(nèi)部校準）試圖表征和補償ADC內(nèi)部模塊的失調(diào)和增益誤差。例如，對于集成PGA（可編程增益放大器）的Δσ（ΔΣ）ADC，自校準可消除PGA和ΔΣ調(diào)制器的直流誤差。對于AD7124-4等某些ADC，自校準功能可以執(zhí)行失調(diào)（零電平）和增益（滿量程）校準。但是，對于AD7172-2等其他ADC，自校準程序僅執(zhí)行失調(diào)校準。

ADC 內(nèi)部失調(diào)校準

對于內(nèi)部失調(diào)校準，所選ADC通道的輸入在內(nèi)部短路。此外，將輸出編碼與理想值進行比較，以確定失調(diào)誤差。對于大多數(shù)ADC，例如ADS1260-Q1，集成了輸入多路復用器，用于斷開輸入與外界的連接，并在內(nèi)部將其連接到公共電壓以執(zhí)行失調(diào)校準。ADS131M06的輸入多路復用器比ADS1260-Q1的輸入多路復用器相對簡單，如圖3所示。

圖3.顯示 ADS131M06 輸入多路復用器。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 將兩個輸入都短路到地。此多路復用器配置可用于失調(diào)校準。另一方面，一些ADC僅斷開其中一個輸入與外部電路的連接。例如，考慮AD7124-4的內(nèi)部連接，如圖4所示。

圖4. AD7124-4內(nèi)部連接框圖圖片由ADI公司提供

在失調(diào)校準期間，兩個輸入一起短路。但是，負輸入仍連接到外部電路。因此，器件數(shù)據(jù)手冊建議設計人員確保在失調(diào)校準期間負輸入端不存在任何多余的噪聲和干擾。此外，在執(zhí)行校準時，該輸入的電壓不允許超過額定限值。

ADC 內(nèi)部滿量程校準

滿量程校準通常通過向ADC輸入施加內(nèi)部生成的滿量程電壓來執(zhí)行。如果ADC的輸入范圍為±V裁判，輸入在內(nèi)部連接到 +V裁判和 -V裁判線。知道輸入處于滿量程電平后，ADC可以確定所需的增益校準系數(shù)。如果ADC具有集成PGA，則內(nèi)部產(chǎn)生的電壓通常是ADC的基準電壓除以PGA的選定增益，以避免ADC過量程。這允許器件在每個增益設置下支持內(nèi)部滿量程校準。

具有校準功能的ADC通常重復一定次數(shù)（例如16次）的零電平和滿量程測量，并平均轉換結果以計算校準值。對數(shù)據(jù)求平均值可降低轉換噪聲并提高校準精度。

ADC自校準的有效性

下表1摘自AD7124-4數(shù)據(jù)手冊。

表 1.使用的數(shù)據(jù)由ADI公司提供

在應用失調(diào)校準之前，ADC失調(diào)為±15 μV。但是，失調(diào)校準后，失調(diào)誤差按噪聲順序排列，根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊，噪聲小于400 nV RMS。同樣，增益校準可顯著降低ADC的增益誤差。

圖5比較了采用和不采用ADC校準的RTD測量系統(tǒng)的誤差。本例中使用的ADC為AD7124-8。

圖5. 使用AD7124-8的RTD測量系統(tǒng)示例。圖片由ADI公司提供

如果不進行校準，測量誤差超出 Pt100 RTD 的預期曲線。但是，在25°C時一次性校準ADC失調(diào)和增益誤差會導致誤差在預期范圍內(nèi)。請注意，在本例中，未消除外部電路元件產(chǎn)生的失調(diào)和增益誤差。如需全面了解校準對常見RTD配置的影響，請參考ADI公司的參考設計。

如圖5和上述ADI參考設計的結果所示，許多應用只需消除ADC失調(diào)和增益誤差即可滿足設計目標。然而，對于要求更高的應用，我們可能需要系統(tǒng)校準來消除ADC和外部電路的失調(diào)和增益誤差。

讓我們快速瀏覽一下RTD應用示例，以了解外部電路的誤差有多大。

計算ADC誤差--系統(tǒng)校準如何有效?

考慮圖6中的3線、比率式RTD測量系統(tǒng)。

圖6.示例 3 線比率式 RTD 測量系統(tǒng)。

假設激勵電流（?Iexc1和?Iexc2） 為 0.5mA，基準電阻為 R裁判= 1.6 kΩ，產(chǎn)生1.6V基準電壓。本電路的主要誤差源包括：

DC失調(diào)和增益誤差

ADC 積分非線性 （INL）

基準電阻的容差

匹配?Iexc1和?Iexc2

假設激勵電流完全匹配或使用電流交換技術;因此，當前的失配誤差可以忽略不計。這給我們留下了一個主要的外部誤差源：R裁判寬容。

讓我們看看這個誤差有多嚴重。使用上述比率電路，n位ADC產(chǎn)生的數(shù)字輸出通常可以用以下公式描述：

假設?Iexc1=?Iexc2，上述等式簡化為等式 1：

假設Rref的實際值與理想值略有不同，由:

Rref,m=Rref(1+α)

其中α是一個很小的值。將Rref,m代入方程1，得到:

使用泰勒級數(shù)分析，我們可以將/(1+α) 近似為1-α。因此，我們獲得：

將其與公式1中的理想關系進行比較，我們觀察到R中的小誤差裁判導致傳遞函數(shù)斜率出現(xiàn)相同的誤差。如果我們使用0.1%的基準電阻（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R，我們的增益誤差為0.1%。裁判寬容。該增益誤差可與ADC增益誤差相當，具體取決于您選擇的ADC。

例如，如果不進行校準，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)校準可以顯著提高精度。要了解有關 RTD 應用中誤差源的更多信息，請參閱 TI 的此參考設計。在下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論，并探討精密ADC中的系統(tǒng)校準和背景校準模式。

審核編輯：劉清