精密ADC中的失调和增益校准功能：自校准

在本系列的前面部分，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，您可以使用定点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，因为精密 ADC 中可能存在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，可以简化设计并帮助我们 从系统处理器中节省一些中央处理器 (CPU)周期。在这种情况下，您只需调整 ADC 设置，发送适当的校准命令，并等待 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读数的偏移和增益误差。 图 1 显示了德州仪器 (TI)的ADS1246的示例校准框图。

图 1. 显示校准块的 ADS1246 框图示例。图片由TI提供

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

例如，FSC = 800000h，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等式描述：

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，但有些 ADC 会先调整传递函数的斜率，然后再校正失调误差。例如，NXP 的MPC5500 系列中集成的 ADC 使用乘法累加单元来实现校准功能（图 2）。

图 2.  MPC5500 系列框图示例。图片由NXP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，校准程序实际上包括对已知输入电压执行的一次或两次 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量和斜率，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delta-sigma (ΔΣ) ADC ，自校准可消除 PGA 和 ΔΣ 调制器的直流误差。对于某些 ADC，例如AD7124-4，自校准功能可以执行偏移（零标度）和增益（满标度）校准。然而，对于其他一些 ADC，例如AD7172-2，自校准程序仅执行偏移校准。

ADC 内部失调校准

对于内部偏移校准，所选 ADC 通道的输入在内部短路。此外，将输出代码与理想值进行比较以确定偏移误差。大多数 ADC（例如ADS1260-Q1）都集成了一个输入多路复用器，用于断开输入与外界的连接，并将它们内部连接到公共电压以执行偏移校准。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. 图表显示了 ADS131M06 的输入多路复用器。图片由TI提供

如您所见，其中一种多路复用器配置 MUXn[1:0] = 01 将两个输入短接到地。此多路复用器配置可用于偏移校准。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. 显示 AD7124-4 内部连接的框图。图片由Analog Devices提供

在偏移校准期间，两个输入都短接在一起。但是，负输入仍然连接到外部电路。这就是为什么器件数据表建议设计人员确保在失调校准期间负输入端不存在任何过量噪声和干扰。此外，在执行校准时，此输入的电压不允许超过额定限制。

ADC 内部满量程校准

满量程校准通常通过将内部生成的满量程电压施加到 ADC 输入来执行。如果 ADC 的输入范围为 ±V REF，则输入在内部连接到 +V REF 和 -V REF 线。知道输入处于满量程水平，ADC 可以确定所需的增益校准系数。如果 ADC 具有集成 PGA，则内部生成的电压通常是 ADC 的参考电压除以 PGA 的选定增益，以避免 ADC 超出量程。这允许设备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 通常会重复零电平和满量程测量一定次数（例如 16 次）并对转换结果进行平均以计算校准值。对数据进行平均可降低转换噪声并提高校准精度。

ADC 自校准的有效性

下面的表 1 摘自 AD7124-4 数据表。

在应用偏移校准之前，ADC 偏移为 ±15 μV。然而，在失调校准之后，失调误差在噪声的数量级，根据器件数据表，其小于 400 nV RMS。同样，增益校准显着降低了 ADC 的增益误差。

 图 5 比较了使用和不使用 ADC 校准的RTD 测量系统的误差。本例中使用的 ADC 是AD7124-8。

图 5. 使用 AD7124-8 的 RTD 测量系统示例。图片由Analog Devices提供

如果不进行校准，测量误差将超出 Pt100 RTD 的预期范围。但是，在 25 °C 下对 ADC 偏移和增益误差进行一次性校准会导致误差完全在预期范围内。请注意，在本例中，外部电路元件产生的失调和增益误差没有被消除。如需对常见 RTD 配置的校准效果进行全面检查，请参阅 Analog Devices 的此参考设计 。

正如图 5 和上述 ADI 参考设计的结果所示，许多应用应该通过简单地消除 ADC 偏移和增益误差来满足设计目标。然而，对于要求更高的应用，我们可能需要进行系统校准，以消除 ADC 和外部电路的失调和增益误差。

让我们快速浏览一个 RTD 应用示例，了解外部电路误差的严重程度。 

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 RTD 测量系统。

图 6.示例 3 线比例 RTD 测量系统。

假设激励电流（I exc1 和 I exc2）为 0.5 mA，参考电阻 R REF  = 1.6 kΩ，产生 1.6 V 的参考电压。该电路中的主要误差源是： 

• ADC 偏移和增益误差

• ADC 积分非线性 (INL)

• 参考电阻的公差

• I exc1 和 I exc2之间的匹配

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参考 公差。

让我们看看这个错误有多严重。使用上述比例电路，n 位 ADC 产生的数字输出通常可以用以下等式描述：

假设 I exc1  = I exc2，以上等式可简化为等式 1：

等式 1。

假设 R ref的实际值 与其理想值略有不同，由下式给出：

其中 α 是一个很小的值。通过在等式 1 中代入 R ref, m ，它产生：

使用泰勒级数的 概念，我们可以近似1/(1+a)与 1-α。因此，我们得到：

将此与等式 1 中的理想关系进行比较，我们观察到 R ref中的小误差 会导致传递函数的斜率出现相同的误差。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 R参考 容差，我们有 0.1% 的增益误差。该增益误差可与 ADC 增益误差相媲美，具体取决于您选择的 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，系统校准可以显着提高精度。要了解有关 RTD 应用中错误源的更多信息，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索精密 ADC 中的系统校准和背景校准模式。