了解精密ADC中的自校准和内部校准

上文我们介绍了ADC（模数转换器）的失调和增益误差。根据所使用的硬件，可以使用定点方法或浮点方法来实现校准方程。另一种方法是使用包含集成校准功能的ADC，因为在精密ADC中可能会找到不同类型的校准功能，即:

自校准

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，帮助我们从系统处理器中节省一些中央处理单元（CPU）周期。在这种情况下，你只需要调整ADC设置，发送适当的校准命令，并等待ADC确定失调和增益误差。

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调和增益误差。图 1 显示了德州仪器 （TI） ADS1246 的示例校准框图。

图1.  ADS1246 框图显示校准块示例。图片由TI提供

在图1中，失调寄存器（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，因为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，使用ADS1246，用户可以直接将一些值写入这些寄存器，从而使用户能够更好地控制校准功能。

请注意，虽然大多数ADC首先减去失调校准系数，然后将其乘以增益误差系数，但也有些ADC是首先调整传递函数的斜率，然后校正失调误差。例如，恩智浦MPC5500系列中的ADC使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失调校准系数。

通常，校准过程实际上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-输出特性曲线的失调和斜率，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内部模块的失调和增益误差。例如，对于集成PGA（可编程增益放大器）的Δσ（ΔΣ）ADC，自校准可消除PGA和ΔΣ调制器的直流误差。对于AD7124-4等某些ADC，自校准功能可以执行失调（零电平）和增益（满量程）校准。但是，对于AD7172-2等其他ADC，自校准程序仅执行失调校准。

ADC 内部失调校准

对于内部失调校准，所选ADC通道的输入在内部短路。此外，将输出编码与理想值进行比较，以确定失调误差。对于大多数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执行失调校准。ADS131M06的输入多路复用器比ADS1260-Q1的输入多路复用器相对简单，如图3所示。

图3.显示 ADS131M06 输入多路复用器。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 将两个输入都短路到地。此多路复用器配置可用于失调校准。另一方面，一些ADC仅断开其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公司提供

在失调校准期间，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人员确保在失调校准期间负输入端不存在任何多余的噪声和干扰。此外，在执行校准时，该输入的电压不允许超过额定限值。

ADC 内部满量程校准

满量程校准通常通过向ADC输入施加内部生成的满量程电压来执行。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，则内部产生的电压通常是ADC的基准电压除以PGA的选定增益，以避免ADC过量程。这允许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通常重复一定次数（例如16次）的零电平和满量程测量，并平均转换结果以计算校准值。对数据求平均值可降低转换噪声并提高校准精度。

ADC自校准的有效性

下表1摘自AD7124-4数据手册。

表 1.使用的数据由ADI公司提供

在应用失调校准之前，ADC失调为±15 μV。但是，失调校准后，失调误差按噪声顺序排列，根据器件数据手册，噪声小于400 nV RMS。同样，增益校准可显著降低ADC的增益误差。

图5比较了采用和不采用ADC校准的RTD测量系统的误差。本例中使用的ADC为AD7124-8。

图5. 使用AD7124-8的RTD测量系统示例。图片由ADI公司提供

如果不进行校准，测量误差超出 Pt100 RTD 的预期曲线。但是，在25°C时一次性校准ADC失调和增益误差会导致误差在预期范围内。请注意，在本例中，未消除外部电路元件产生的失调和增益误差。如需全面了解校准对常见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，许多应用只需消除ADC失调和增益误差即可满足设计目标。然而，对于要求更高的应用，我们可能需要系统校准来消除ADC和外部电路的失调和增益误差。

让我们快速浏览一下RTD应用示例，以了解外部电路的误差有多大。

计算ADC误差--系统校准如何有效?

考虑图6中的3线、比率式RTD测量系统。

图6.示例 3 线比率式 RTD 测量系统。

假设激励电流（ 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。本电路的主要误差源包括：

DC失调和增益误差

ADC 积分非线性 （INL）

基准电阻的容差

匹配 Iexc1和 Iexc2

假设激励电流完全匹配或使用电流交换技术;因此，当前的失配误差可以忽略不计。这给我们留下了一个主要的外部误差源：R裁判宽容。

让我们看看这个误差有多严重。使用上述比率电路，n位ADC产生的数字输出通常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的实际值与理想值略有不同，由:

Rref,m=Rref(1+α)

其中α是一个很小的值。将Rref,m代入方程1，得到:

使用泰勒级数分析，我们可以将/(1+α) 近似为1-α。因此，我们获得：

将其与公式1中的理想关系进行比较，我们观察到R中的小误差裁判导致传递函数斜率出现相同的误差。如果我们使用0.1%的基准电阻（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R，我们的增益误差为0.1%。裁判宽容。该增益误差可与ADC增益误差相当，具体取决于您选择的ADC。

例如，如果不进行校准，ADS1260-Q1的最大增益误差为0.6%。因此，在要求苛刻的应用中，系统校准可以显著提高精度。要了解有关 RTD 应用中误差源的更多信息，请参阅 TI 的此参考设计。在下一篇文章中，我们将继续讨论，并探讨精密ADC中的系统校准和背景校准模式。

　　审核编辑：汤梓红