理解周详ADC中的自校准和内部校准_误差_增益

自校准

系统校准

在本文中，我们将磋商自校准功能。

一些ADC支持校准模式，这可以简化设计，帮助我们从系统处理器中节省一些中心处理单元（CPU）周期。
在这种情形下，你只须要调度ADC设置，发送适当的校准命令，并等待ADC确定失落调和增益偏差。

然后，ADC将校准信息存储在片内寄存器中，并用它来校正后续读数的失落调和增益偏差。
图 1 显示了德州仪器 （TI） ADS1246 的示例校准框图。

在图1中，失落调寄存器（OFC）和满量程寄存器（FSC）包含适当的校准值。
从A/D（模数转换）转换过程产生的数字值中减去OFC的值，结果乘以FSC除以400000h。

例如，当FSC = 800000h时，A/D转换结果将乘以2，由于FSC值在代码400000h处归一化为1.0。
ADS1246的校准功能可以用以下公式描述：

启动校准后，ADC自动设置OFC和FSC寄存器的值。
但是，利用ADS1246，用户可以直接将一些值写入这些寄存器，从而利用户能够更好地掌握校准功能。

请把稳，虽然大多数ADC首先减去失落调校准系数，然后将其乘以增益偏差系数，但也有些ADC是首先调度通报函数的斜率，然后校正失落调偏差。
例如，恩智浦MPC5500系列中的ADC利用乘法累加单元来实现校准功能（图2）。

图2. MPC5500系列框图。
图片由恩智浦供应

显然，对付给定的系统，图1和图2中描述的两种方法将具有不同的增益和失落调校准系数。

常日，校准过程实际上包括对已知输入电压实行的一个或两个ADC转换。
ADC利用这些转换的结果来确定输入-输出特性曲线的失落调和斜率，并相应地更新其校准寄存器。

自校准（有时称为内部校准）试图表征和补偿ADC内部模块的失落调和增益偏差。
例如，对付集成PGA（可编程增益放大器）的Δσ（ΔΣ）ADC，自校准可肃清PGA和ΔΣ调制器的直流偏差。
对付AD7124-4等某些ADC，自校准功能可以实行失落调（零电平）和增益（满量程）校准。
但是，对付AD7172-2等其他ADC，自校准程序仅实行失落调校准。

对付内部失落调校准，所选ADC通道的输入在内部短路。
此外，将输出编码与空想值进行比较，以确定失落调偏差。
对付大多数ADC，例如ADS1260-Q1，集成了输入多路复用器，用于断开输入与外界的连接，并在内部将其连接到公共电压以实行失落调校准。
ADS131M06的输入多路复用器比ADS1260-Q1的输入多路复用器相对大略，如图3所示。

如您所见，个中一个多路复用器配置 MUXn[1：0] = 01 将两个输入都短路到地。
此多路复用器配置可用于失落调校准。
另一方面，一些ADC仅断开个中一个输入与外部电路的连接。
例如，考虑AD7124-4的内部连接，如图4所示。

图4. AD7124-4内部连接框图图片由ADI公司供应

在失落调校准期间，两个输入一起短路。
但是，负输入仍连接到外部电路。
因此，器件数据手册建议设计职员确保在失落调校准期间负输入端不存在任何多余的噪声和滋扰。
此外，在实行校定时，该输入的电压不许可超过额定限值。

满量程校准常日通过向ADC输入施加内部天生的满量程电压来实行。
如果ADC的输入范围为±V裁判，输入在内部连接到 +V裁判和 -V裁判线。
知道输入处于满量程电平后，ADC可以确定所需的增益校准系数。
如果ADC具有集成PGA，则内部产生的电压常日是ADC的基准电压除以PGA的选定增益，以避免ADC过量程。
这许可器件在每个增益设置下支持内部满量程校准。

具有校准功能的ADC常日重复一定次数（例如16次）的零电平和满量程丈量，并均匀转换结果以打算校准值。
对数据求均匀值可降落转换噪声并提高校准精度。

下表1摘自AD7124-4数据手册。

在运用失落调校准之前，ADC失落调为±15 μV。
但是，失落调校准后，失落调偏差按噪声顺序排列，根据器件数据手册，噪声小于400 nV RMS。
同样，增益校准可显著降落ADC的增益偏差。

图5比较了采取和不采取ADC校准的RTD丈量系统的偏差。
本例中利用的ADC为AD7124-8。

如果不进行校准，丈量偏差超出 Pt100 RTD 的预期曲线。
但是，在25°C时一次性校准ADC失落调和增益偏差会导致偏差在预期范围内。
请把稳，在本例中，未肃清外部电路元件产生的失落调和增益偏差。
如需全面理解校准对常见RTD配置的影响，请参考ADI公司的参考设计。

如图5和上述ADI参考设计的结果所示，许多运用只需肃清ADC失落调和增益偏差即可知足设计目标。
然而，对付哀求更高的运用，我们可能须要系统校准来肃清ADC和外部电路的失落调和增益偏差。

让我们快速浏览一下RTD运用示例，以理解外部电路的偏差有多大。

打算ADC偏差--系统校准如何有效?

考虑图6中的3线、比率式RTD丈量系统。

假设勉励电流（ Iexc1和 Iexc2） 为 0.5mA，基准电阻为 R裁判= 1.6 kΩ，产生1.6V基准电压。
本电路的紧张偏差源包括：

DC失落调和增益偏差

ADC 积分非线性 （INL）

基准电阻的容差

假设勉励电流完备匹配或利用电流交流技能;因此，当前的失落配偏差可以忽略不计。
这给我们留下了一个紧张的外部偏差源：R裁判宽容。

让我们看看这个偏差有多严重。
利用上述比率电路，n位ADC产生的数字输出常日可以用以下公式描述：

假设 Iexc1= Iexc2，上述等式简化为等式 1：

假设Rref的实际值与空想值略有不同，由:

Rref,m=Rref(1+α)

个中α是一个很小的值。
将Rref,m代入方程1，得到:

利用泰勒级数剖析，我们可以将/(1+α) 近似为1-α。
因此，我们得到：

将其与公式1中的空想关系进行比较，我们不雅观察到R中的小偏差裁判导致通报函数斜率涌现相同的偏差。
如果我们利用0.1%的基准电阻（α = 0.001），系统的实际增益将与其空想值相差0.1%，这意味着由于R，我们的增益偏差为0.1%。
裁判宽容。
该增益偏差可与ADC增益偏差相称，详细取决于您选择的ADC。

例如，如果不进行校准，ADS1260-Q1的最大增益偏差为0.6%。
因此，在哀求苛刻的运用中，系统校准可以显著提高精度。
要理解有关 RTD 运用中偏差源的更多信息，请参阅 TI 的此参考设计。
不才一篇文章中，我们将连续谈论，并磋商精密ADC中的系统校准和背景校准模式。