在上一篇文章中，我們了解了一些精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)支持的自校準(zhǔn)功能。我們還討論了，除了ADC 的內(nèi)部誤差外，外部電路也會(huì)在我們的測(cè)量中產(chǎn)生顯著的偏移和增益誤差。

本文研究了一些精密 ADC 中實(shí)現(xiàn)的另外兩種校準(zhǔn)功能，即系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)模式。

通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)消除偏移和增益誤差

在自校準(zhǔn)補(bǔ)償 ADC 內(nèi)部誤差的同時(shí)，系統(tǒng)校準(zhǔn)功能試圖消除整個(gè)系統(tǒng)的偏移和增益誤差。自校準(zhǔn)功能在內(nèi)部提供 ADC 輸入所需的電壓，而系統(tǒng)校準(zhǔn)則需要用戶(hù)從外部向 ADC 施加適當(dāng)?shù)妮斎?。此外，系統(tǒng)校準(zhǔn)可以包括系統(tǒng)偏移和增益校準(zhǔn)功能。

如前所述，許多 ADC 使用以下校準(zhǔn)方案的變體，其中首先從 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程的輸出中減去偏移校準(zhǔn)寄存器 (OFC) 的值，然后將結(jié)果乘以增益校準(zhǔn)值（FSC寄存器），如下圖1所示。

圖 1.?顯示 ADC、OFC 寄存器和 FSC 寄存器的示例框圖。圖片由TI提供

系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)

對(duì)于系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)，用戶(hù)從外部向 ADC 輸入施加零伏并運(yùn)行系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)例程。校準(zhǔn)功能試圖補(bǔ)償電路板和 ADC 內(nèi)部電路產(chǎn)生的任何偏移。圖 2 說(shuō)明了EVAL-AD7124-4SDZ?評(píng)估板的系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)。

圖 2.? EVAL-AD7124-4SDZ 的失調(diào)校準(zhǔn)。圖片由Analog Devices提供

請(qǐng)注意，ADC 輸入 AIN?0和 AIN?2在外部短路。雖然 AD7124-4 具有 ±15 μV 的典型未校準(zhǔn)失調(diào)，但上述系統(tǒng)在未經(jīng)校準(zhǔn)的情況下表現(xiàn)出 24 μV 失調(diào)。執(zhí)行系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)后，零輸入的 ADC 輸出代碼的模擬等效值約為 120 nV，與 ADC 噪聲數(shù)量級(jí)相當(dāng)。

系統(tǒng)偏移誤差源

您可能會(huì)問(wèn)：是什么影響使上述簡(jiǎn)單系統(tǒng)具有 24 μV 的偏移，而 ADC 偏移僅為 ±15 μV？但是，由于 ADI 文檔沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，因此這種額外偏移的來(lái)源似乎可能是電路板寄生熱電偶。

當(dāng)兩種不同的金屬在連接處連接時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電偶。這不可避免地發(fā)生在正常電路布線中（例如，在錫鉛焊料和銅 PCB 跡線之間的連接處），從而產(chǎn)生塞貝克系數(shù)為 3 至 4 μV/°C 的寄生熱電偶。寄生熱電偶也存在于銅 PCB 跡線和 IC 的 Kovar 引腳的連接處。這些結(jié)表現(xiàn)出大約 35 μV/°C 的塞貝克系數(shù)。

如您所見(jiàn)，電路板上的小溫度梯度可以產(chǎn)生與精密 ADC 的未校準(zhǔn)偏移相當(dāng)?shù)臒犭娕茧妷?。因此，兩個(gè)模擬輸入的信號(hào)路徑應(yīng)保持相同且彼此靠近。對(duì)于匹配的輸入線路，熱電偶效應(yīng)理想情況下應(yīng)在 ADC 輸入端產(chǎn)生共模電壓，該電壓將被 ADC 的共模抑制比 (CMRR)衰減。

雖然相同的信號(hào)路徑可以最大限度地減少熱電偶效應(yīng)，但它們不能完全消除它，因?yàn)檎麄€(gè)電路板上可能存在溫度梯度。然而，如果這個(gè)溫度梯度是恒定的，系統(tǒng)校準(zhǔn)可以消除剩余的偏移誤差。除了寄生熱電偶之外，信號(hào)路徑中的放大器和濾波器也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)誤差。

例如，考慮下面圖 3 中的電路圖。

圖 3.?顯示校準(zhǔn)輸入的示例電路圖。圖片由TI提供

同樣，對(duì)于偏移校準(zhǔn)，輸入與信號(hào)源斷開(kāi)連接并通過(guò)開(kāi)關(guān)短接到地。在本例中，放大器 U1 和 U2 的失調(diào)以及 ADC 失調(diào)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的失調(diào)。這些偏移項(xiàng)以及熱電偶效應(yīng)可以使用系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)。?如果與前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路相關(guān)的失調(diào)溫度漂移限制了性能，我們將需要在工作溫度發(fā)生顯著變化時(shí)重復(fù)系統(tǒng)校準(zhǔn)。

系統(tǒng)增益校準(zhǔn)

系統(tǒng)增益校準(zhǔn)校正信號(hào)路徑中的增益誤差。在系統(tǒng)增益校準(zhǔn)中，輸入從外部連接到適當(dāng)?shù)恼凉M(mǎn)量程，具體取決于 PGA 增益和參考電壓。例如，考慮EVAL-AD7124-4SDZ?評(píng)估板的系統(tǒng)增益校準(zhǔn)（圖 4）。

圖 4.?顯示 EVAL-AD7124-4SDZ 系統(tǒng)增益校準(zhǔn)的框圖。圖片由Analog Devices提供

在此示例中，基準(zhǔn)電壓為 2.5 V。如果 PGA 增益為 2 且AD7124-4?配置為雙極性模式，則應(yīng)向模塊輸入施加 1.25 V 的滿(mǎn)量程電壓。由于不同的增益誤差因素，1.25 V 輸入可能無(wú)法在未經(jīng)校準(zhǔn)的情況下產(chǎn)生滿(mǎn)量程輸出代碼。在系統(tǒng)增益校準(zhǔn)期間，ADC 假定滿(mǎn)量程電壓施加到輸入。因此，校準(zhǔn)功能將 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的代碼映射到 ADC 輸出端的理想滿(mǎn)量程代碼。再舉一個(gè)例子，考慮下面圖 5 中的3 線比例 RTD 測(cè)量系統(tǒng)。

圖 5.?三線比例 RTD 測(cè)量系統(tǒng)圖。

假設(shè) RTD 將測(cè)量的最高溫度為 814 °C。要為 ADC 產(chǎn)生滿(mǎn)量程信號(hào)，我們可以用 0.01%、380Ω 電阻器代替 RTD，因?yàn)樵?a target="_blank">電阻對(duì)應(yīng)于PT100 RTD 的大約 814°C??。校準(zhǔn)電阻就位后，我們可以使用 ADC 系統(tǒng)校準(zhǔn)功能來(lái)消除增益誤差。然而，為了獲得更高的精度，我們可能決定手動(dòng)確定增益校準(zhǔn)寄存器的值，而不是依賴(lài) ADC 系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。手動(dòng)增益校準(zhǔn)使我們能夠考慮校準(zhǔn)電阻器的容差以及 814 °C 實(shí)際上對(duì)應(yīng)于 379.871 Ω 而不是 380 Ω 等因素。通過(guò)手動(dòng)增益校準(zhǔn)，我們可以使用 8.5 位萬(wàn)用表測(cè)量校準(zhǔn)電阻的實(shí)際值，?并計(jì)算將輸出代碼映射到理想滿(mǎn)量程代碼的增益校準(zhǔn)系數(shù)。

系統(tǒng)增益誤差源

此外，為了從 ADC 本身獲得誤差，根據(jù)應(yīng)用的不同，可能還有其他幾個(gè)增益誤差因素。在圖 4 所示的示例中，電壓基準(zhǔn)的初始精度導(dǎo)致 ADC 傳遞函數(shù)中的增益誤差。您可以驗(yàn)證如果指定為百分比的參考電壓容差為 x，則來(lái)自電壓參考容差的增益誤差也約為 x 百分比。例如，初始精度為 0.05% 的參考電壓會(huì)導(dǎo)致 ADC 傳遞函數(shù)中出現(xiàn)大約 0.05% 的增益誤差。

對(duì)于更復(fù)雜的信號(hào)鏈，如圖 3 中的信號(hào)鏈，放大器和濾波器的增益誤差也會(huì)影響系統(tǒng)增益誤差。再舉一個(gè)例子，考慮圖 5 中的 RTD 應(yīng)用。在這種情況下，R ref的容差、電流源之間的不匹配以及 ADC 增益誤差是系統(tǒng)增益誤差的三個(gè)主要影響因素。

關(guān)于系統(tǒng)校準(zhǔn)的最終想法

如上所述，應(yīng)將適當(dāng)?shù)妮斎腚妷簭耐獠渴┘拥?ADC 以進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。應(yīng)該注意的是，這些輸入應(yīng)該在系統(tǒng)校準(zhǔn)步驟開(kāi)始之前應(yīng)用，并且必須保持穩(wěn)定直到該步驟完成。沒(méi)有穩(wěn)定的輸入，ADC 就無(wú)法準(zhǔn)確確定校準(zhǔn)系數(shù)。

考慮到信號(hào)鏈組件的漂移性能和系統(tǒng)運(yùn)行的溫度范圍，您可能需要根據(jù)應(yīng)用的精度要求增加校準(zhǔn)頻率。?

背景校準(zhǔn)

這是在某些 ADC 中發(fā)現(xiàn)的另一種自校準(zhǔn)類(lèi)型，例如 Analog Devices 的AD7714??。對(duì)于背景校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過(guò)程與正常的轉(zhuǎn)換序列交織在一起。每次輸出更新后，AD7714 都會(huì)執(zhí)行零電平自校準(zhǔn)。這將 ADC 的輸出數(shù)據(jù)速率降低了 6 倍；但是，它使器件能夠持續(xù)消除溫度漂移、電源靈敏度和老化對(duì)零電平誤差的影響。?

TI的LMP90100?也是包含背景校準(zhǔn)的設(shè)備的一個(gè)很好的例子。使用傳統(tǒng)的后臺(tái)校準(zhǔn)方法，必須在 ADC 計(jì)算偏移或增益系數(shù)時(shí)中斷 ADC 輸入。但是，LMP90100 使用不同的校準(zhǔn)技術(shù)（對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了一些假設(shè)），該技術(shù)對(duì) ADC 的輸出數(shù)據(jù)速率的影響最小。有關(guān)此設(shè)備的更多信息，請(qǐng)參閱此應(yīng)用報(bào)告。????

審核編輯：湯梓紅