精密 ADC 中的系统校准和后台校准

出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-08 17:37:32

  通过系统校准消除失调和增益误差
  自校准可补偿 ADC 内部误差,而系统校准功能则试图消除整个系统的偏移和增益误差。自校准功能在内部提供 ADC 输入所需的电压,而系统校准则要求用户从外部向 ADC 应用适当的输入。此外,系统校准可以包括系统偏移和增益校准功能。
  如前所述,许多 ADC 使用以下校准方案的变体,其中首先从 A/D 转换过程的输出中减去偏移校准寄存器 (OFC) 的值,然后将结果乘以增益校准值(FSC寄存器),如下图1所示。

  显示 ADC、OFC 寄存器和 FSC 寄存器的示例框图。

  图 1. 显示 ADC、OFC 寄存器和 FSC 寄存器的示例框图。图片由TI提供系统偏移校准
  对于系统偏移校准,用户从外部向 ADC 输入施加零伏并运行系统偏移校准例程。校准功能尝试补偿电路板和 ADC 内部电路产生的任何偏移。图 2 说明了EVAL-AD7124-4SDZ 评估板的系统失调校准。

  EVAL-AD7124-4SDZ 的偏移校准。

  图 2.  EVAL-AD7124-4SDZ 的偏移校准。图片由Analog Devices提供请注意,ADC 输入 AIN 0和 AIN 2是外部短路的。虽然 AD7124-4 的典型未校准偏移为 ±15 μV,但上述系统在未校准的情况下表现出 24 μV 偏移。执行系统失调校准后,归零输入的 ADC 输出代码的模拟等效值约为 120 nV,与 ADC 噪声的数量级相同。
  系统偏移误差源
  您可能会问:什么影响使得上述简单系统的偏移为 24 μV,而 ADC 偏移仅为 ±15 ?V?然而,由于 ADI 文档没有详细说明这一点,看来这个额外偏移的来源可能是电路板寄生热电偶。
  当两种不同的金属在连接处连接时,就会形成热电偶。这种情况在正常电路布线中不可避免地会发生(例如,在锡铅焊料和铜 PCB 迹线之间的连接处),从而产生塞贝克系数为3至 4 μV/°C 的寄生热电偶。寄生热电偶也存在于铜 PCB 走线和 IC 的 Kovar 引脚的连接处。这些结的塞贝克系数约为 35 μV/°C。
  正如您所看到的,整个板上的小温度梯度可以产生与精密 ADC 的未校准偏移相当的热电偶电压。因此,两个模拟输入的信号路径应保持相同且彼此靠近。通过匹配的输入线,理想情况下,热电偶效应应在 ADC 输入处产生共模电压,该电压将因ADC 的共模抑制比 (CMRR)而衰减。
  虽然相同的信号路径可以限度地减少热电偶效应,但它们不能完全消除它,因为整个板上可能存在温度梯度。然而,如果该温度梯度恒定,则系统校准可以消除剩余的偏移误差。除了寄生热电偶之外,信号路径中的放大器滤波器也会导致系统失调误差。

  作为示例,请考虑下面图 3 中的电路图。

  显示校准输入的示例电路图。
  图 3. 显示校准输入的示例电路图。图片由TI提供同样,对于偏移校准,输入与信号源断开并通过开关短路接地。在此示例中,放大器 U1 和 U2 的偏移以及 ADC 偏移会影响整个系统的偏移。这些偏移项以及热电偶效应可以使用系统偏移校准来校准。 如果与前端信号调理电路相关的失调温度漂移限制了性能,那么只要工作温度发生显着变化,我们就需要重复系统校准。
  系统增益校准
  系统增益校准可纠正信号路径中的增益误差。在系统增益校准中,输入在外部连接到适当的正满量程,具体取决于 PGA 增益和参考电压。例如,考虑EVAL-AD7124-4SDZ 评估板的系统增益校准(图 4)。

  显示 EVAL-AD7124-4SDZ 系统增益校准的框图。

  图 4. 显示 EVAL-AD7124-4SDZ 系统增益校准的框图。图片由Analog Devices提供在此示例中,参考电压为 2.5 V。如果 PGA 增益为 2 并且AD7124-4 配置为双极模式,则应向模块输入施加 1.25 V 的满量程电压。由于不同的增益误差贡献因素,1.25 V 输入在没有校准的情况下可能不会产生满量程输出代码。在系统增益校准期间,ADC 假定满量程电压施加到输入。因此,校准功能将 A/D 转换过程生成的代码映射到 ADC 输出处的理想满量程代码。作为另一个示例,请考虑下面图 5 中的3 线比例 RTD 测量系统。

  三线比例 RTD 测量系统图。

  图 5. 三线比例 RTD 测量系统图。
  假设 RTD 测量的温度为 814 °C。为了产生 ADC 的满量程信号,我们可以用 0.01%、380Ω 电阻器替换 RTD,因为该电阻对应于 PT100 RTD 的大约 814 °C 。校准电阻就位后,我们可以使用 ADC 系统校准功能来消除增益误差。然而,为了获得更高的精度,我们可能决定手动确定增益校准寄存器的值,而不是依赖 ADC 系统校准功能。手动增益校准使我们能够考虑校准电阻器的容差等因素,以及 814 °C 实际上对应于 379.871 Ω 而不是 380 Ω 的事实。通过手动增益校准,我们可以使用 8.5 位万用表测量校准电阻的实际值 ,并计算将输出代码映射到理想满量程代码的增益校准系数。
  系统增益误差源
  此外,为了获得来自 ADC 本身的误差,根据应用的不同,可能还有其他几个增益误差因素。在图 4 所示的示例中,电压基准的初始精度会导致 ADC 传输函数中出现增益误差。您可以验证,如果指定为百分比的参考电压容差为 x,则电压参考容差的增益误差也约为 x%。例如,初始精度为 0.05% 的参考电压会导致 ADC 传输函数出现约 0.05% 的增益误差。
  对于如图 3 所示的更复杂的信号链,放大器和滤波器的增益误差也会影响系统增益误差。再举一个例子,考虑图 5 中的 RTD 应用。在这种情况下,R ref的容差、电流源之间的不匹配以及 ADC 增益误差是系统增益误差的三个主要因素。
  关于系统校准的终想法
  如上所述,应从外部向 ADC 施加适当的输入电压以进行系统校准。应该注意的是,这些输入应在系统校准步骤开始之前应用,并且必须保持稳定,直到该步骤完成。如果没有稳定的输入,ADC 就无法准确确定校准系数。
  考虑到信号链组件的漂移性能以及系统运行的温度范围,您可能需要根据应用的精度要求增加校准频率。
  后台校准
  这是另一种类型的自校准,存在于某些 ADC 中,例如 Analog Devices 的AD7714 。对于后台校准,校准过程与正常转换序列交织在一起。每次输出更新后,AD7714 都会执行零电平自校准。这会将 ADC 的输出数据速率降低 6 倍;然而,它使器件能够持续消除温度漂移、电源灵敏度和老化对零刻度误差的影响。


关键词:ADC

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