精密ADC中的偏置和增益校准功能：自校准_新浪科技

了解模数转换器（ADC）中的自校准或内部校准功能。

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在本系列之前，我们讨论了两点校准可用于消除ADC（模数转换器）的偏移和增益误差。根据所使用的硬件，可以使用定点或浮点方法来实现校准方程式。替代方法是使用包括集成校准函数的ADC，因为在精确ADC中可能找到不同类型的校准函数，即：

自我校准

系统校准

背景校准

在本文中，我们将探讨自校准功能。

ADC校准选项

一些ADC支持校准模式，这可以简化设计并帮助我们从系统处理器中节约一些中央处理单元（CPU）周期。在这种情况下，您只需要调整ADC设置，发送适当的校准命令，然后等待ADC确定偏移和增益误差。

然后ADC将校准信息存储在其片上寄存器中，并使用它来校正后续的偏置和增益误差的读数。图1显示了得克萨斯仪器公司（TI）的ADS1246校准框图示例。

显示校准块的ADS1246框图示例

•图1。显示校准块的ADS1246框图示例。图片由TI提供

在图1中，偏置寄存器（OFC）和满量程寄存器（FSC）包含适当的校准值。从A/D（模拟-数字）转换过程产生的数字值中减去OFC的值，然后将结果乘以FSC除以400000h。

例如，当FSC=800000h时，A/D转换结果将乘以2，因为FSC值在代码400000h处被标准化为1.0。ADS1246的校准功能可通过以下方程式描述：

校准启动后，ADC自动设置OFC和FSC寄存器的值。然而，使用ADS1246，用户可以直接将一些值写入这些寄存器，这使得用户能够对校准功能有更多的控制。

注意，虽然大多数ADC首先减去偏移校准系数然后将其乘以增益误差系数，但是存在先调整传递函数的斜率然后校正偏移误差的ADC。例如，NXP MPCL500系列中包含的ADC使用多累积单元来实现校准功能（图2）。

MPCL500系列框图示例。

•图2。MPCL500系列框图示例。图片由恩智浦提供

显然，对于给定的系统，图1和图2中描述的两种方法将具有不同的增益和偏移校准系数。

通常，校准程序有效地包括对已知输入电压执行的一个或两个ADC转换。ADC使用这些转换的结果来确定输入输出特性曲线的偏移和斜率，并相应地更新其校准寄存器。

模数转换器自校准或内部校准

自校准，有时称为内部校准，试图表征和补偿ADC内部块的偏移和增益误差。例如，对于具有集成PGA（可编程增益放大器）的Δ∑（Δ∑）ADC，自校准从PGA和Δ∑调制器去除DC误差。对于某些ADC，如AD7124-4，自校准功能可执行偏置（零刻度）和增益（满刻度）校准。然而，对于一些其他ADC，例如AD7172-2，自校准程序仅执行偏置校准。

ADC内部偏置校准

对于内部偏置校准，所选ADC通道的输入内部短路。此外，将输出代码与理想值进行比较，以确定偏移误差。对于大多数ADC，例如ADS1260-Q1，输入多路复用器被纳入以将输入从外部世界断开，并在内部将它们连接到公共电压以执行偏置校准。ADS131M06的输入多路复用器比ADS1260-Q1相对简单，如图3所示。

ADS131M06输入多路复用器示意图。

•图3。ADS131M06输入多路复用器示意图。图片由TI提供

如您所见，其中一个多路复用器配置MUXn[1:0]=01将两个输入短路到地。这种多路复用器配置可用于补偿校准。另一方面，一些ADC仅将其中一个输入从外部电路断开。例如，考虑AD7124-4的内部连接，如图4所示。

显示AD7124-4内部连接的框图。

•图4。显示AD7124-4内部连接的框图。图像由ADI提供

在偏置校准过程中，两个输入短路在一起。然而，负输入仍与外部电路相连。这就是为什么设备数据表建议设计师确保在偏置校准期间，负输入不存在任何多余的噪声和干扰的原因。此外，在进行校准时，该输入电压不允许超过额定限值。

ADC内部满量程校准

满刻度校准通常通过向ADC输入施加内部生成的满刻度电压来执行。如果ADC的输入范围为±VREF，则输入在内部与+VREF和-VREF线相连。已知输入处于满刻度水平，ADC可以确定所需的增益校准系数。如果ADC具有积分PGA，那么内部生成的电压通常是ADC的参考电压除以PGA的所选增益以避免超出ADC的范围。这允许设备在每个增益设置下支持内部满刻度校准。

具有校准功能的ADC通常重复一定数量的零刻度和满刻度测量（例如，16次），并平均转换结果以计算校准值。平均数据减少了转换噪声，提高了校准精度。

ADC自校准的有效性

下表1摘录了AD7124-4数据表。

•表1。数据由ADI提供

应用偏置校准之前，ADC偏置为±15μV。然而，在偏置校准之后，偏置误差按照噪声的顺序，根据设备数据表，其小于400 nV RMS。同样地，增益校准显著地减小了ADC的增益误差。

图5比较了带和不带ADC校准的RTD测量系统的误差。本例中使用的模数转换器为AD7124-8。

使用AD7124-8的电阻式温度检测器测量系统示例。

•图5。使用AD7124-8的电阻式温度检测器测量系统示例。图像由ADI提供

如果不进行校准，测量误差超出Pt100电阻式温度检测器的预期轮廓。然而，在25°C温度下对ADC偏置和增益误差进行一次性校准会导致误差在预期范围内。注意，在此实例中，不去除由外部电路组件产生的偏移和增益误差。关于常见电阻式温度检测器配置的校准效果的综合检查，请参考ADI的参考设计。

如图5和上述ADI参考设计的结果所示，许多应用程序应通过简单地去除ADC偏移和增益误差来满足设计目标。然而，随着要求更高的应用，我们可能需要系统校准以消除ADC和外部电路中的偏移和增益误差。

让我们快速查看RTD应用程序示例，了解外部电路的错误可能有多大。

计算ADC误差-系统校准的有效性如何？

考虑图6中的3线比例电阻式温度检测器测量系统。

示例3线比例电阻式温度检测器测量系统。

•图6。示例3线比例电阻式温度检测器测量系统。

假设励磁电流（Iexc1和Iexc2）为0.5 mA，参考电阻为RREF=1.6 kΩ，产生1.6 V的参考电压。该电路中的主要误差源为：

ADC偏置和增益误差

参考电阻公差

Iexc1与Iexc2匹配

假设励磁电流完全匹配或使用电流交换技术；因此，电流失误差可忽略不计。这给我们带来了一个主要的外部误差来源：Rref公差。

让我们来看看这个误差有多大。使用上述比例电路，n位ADC产生的数字输出通常可以通过以下方程式来描述：

假设Iexc1=Iexc2，上述方程式简化为方程式1：

•方程式1。

假设Rref的实际值与其理想值略有不同，由下式给出：

将Rref，m代入方程式1，可得出：

使用泰勒级数概念，我们可以近似

11+α

带有1-α。因此，我们得出：

将其与方程式1中的理想关系进行比较，我们观察到Rref中的小误差导致传递函数斜率中的相同误差。如果我们使用0.1%的参考电阻（α=0.001），系统的实际增益将与其理想值相差0.1%，这意味着由于Rref公差，我们的增益误差为0.1%。这个增益误差可以与ADC增益误差进行比较，这取决于您选择的ADC。

例如，在没有校准的情况下，ADS1260-Q1的最大增益误差为0.6%。因此，在要求苛刻的应用中，系统校准能够显著提高精度。欲了解更多关于RTD应用中误差源的信息，请参阅TI的参考设计。在下一篇文章中，我们将继续进行讨论，并探讨精密ADC中的系统校准和背景校准模式。