精密ADC中的偏置和增益校準功能：自校準

了解模數轉換器（ADC）中的自校準或內部校準功能。

在本系列之前，我們討論了兩點校準可用于消除ADC（模數轉換器）的偏移和增益誤差。根據所使用的硬件，可以使用定點或浮點方法來實現校準方程式。替代方法是使用包括集成校準函數的ADC，因為在精確ADC中可能找到不同類型的校準函數，即：

自我校準

系統校準

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處理器中節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，發送適當的校準命令，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的偏置和增益誤差的讀數。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）包含適當的校準值。從A/D（模擬-數字）轉換過程產生的數字值中減去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ADC首先減去偏移校準系數然后將其乘以增益誤差系數，但是存在先調整傳遞函數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，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。

通常，校準程序有效地包括對已知輸入電壓執行的一個或兩個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據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。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。平均數據減少了轉換噪聲，提高了校準精度。

ADC自校準的有效性

下表1摘錄了AD7124-4數據表。

?表1。數據由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，根據設備數據表，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測量系統的誤差。本例中使用的模數轉換器為AD7124-8。

使用AD7124-8的電阻式溫度檢測器測量系統示例。

?圖5。使用AD7124-8的電阻式溫度檢測器測量系統示例。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。

示例3線比例電阻式溫度檢測器測量系統。

?圖6。示例3線比例電阻式溫度檢測器測量系統。

假設勵磁電流（Iexc1和Iexc2）為0.5 mA，參考電阻為RREF=1.6 kΩ，產生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產生的數字輸出通常可以通過以下方程式來描述：

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中的理想關系進行比較，我們觀察到Rref中的小誤差導致傳遞函數斜率中的相同誤差。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，我們將繼續進行討論，并探討精密ADC中的系統校準和背景校準模式。