SoC中放大器和ADC的校準(zhǔn)

在當(dāng)今的混合信號(hào)系統(tǒng)世界里，許多應(yīng)用都需要測(cè)量和處理大量的模擬信號(hào)，包括但不限于電壓、電流、溫度、壓力、加速度、pH值、流量和ECG等。相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域包括可控環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)療設(shè)備，也包括運(yùn)行在惡劣工作條件下的工業(yè)設(shè)備。需要測(cè)量的模擬信號(hào)范圍很大，包括ECG系統(tǒng)中的幾微伏電壓到發(fā)電站的數(shù)千伏電壓等。

無(wú)論是什么應(yīng)用、環(huán)境或待測(cè)量的信號(hào)量，基本的信號(hào)采集系統(tǒng)都包含一個(gè)放大和調(diào)節(jié)信號(hào)的模擬前端以及將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值、然后由微處理器加以處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。模擬前端可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的放大器，也可能是包含多級(jí)放大器和濾波器的復(fù)雜系統(tǒng)。

基本信號(hào)調(diào)節(jié)電路的方框圖如下所示：

放大器增益

假定系統(tǒng)是理想狀態(tài)，那么ADC輸出由以下方程式表示：

這里，VIN為輸入電壓

A為放大器增益

VFS為ADC的范圍

N為ADC的分辨率

對(duì)于ADC計(jì)數(shù)而言，微處理器根據(jù)以下方程式計(jì)算輸入電壓：

可惜的是，在現(xiàn)實(shí)世界中，沒(méi)有所謂“理想”的情況，系統(tǒng)必須應(yīng)對(duì)引入系統(tǒng)并影響ADC輸出的誤差。最重要的誤差也就是我們本文將要討論的誤差——偏移誤差和增益誤差。

偏移誤差

圖2顯示了范圍介于+2.5V之間的8位ADC示意圖。X軸表示輸入電壓，Y軸表示ADC計(jì)數(shù)。藍(lán)線為理想的ADC輸出。紅線則為實(shí)際的ADC輸出。請(qǐng)注意，實(shí)際輸出與理想狀態(tài)不同，這種差異就叫作偏移誤差。

所有運(yùn)算放大器的輸入都存在有限的偏移電壓。偏移電壓被添加到輸入信號(hào)上，然后被放大器增益放大并在輸出處表現(xiàn)出來(lái)。除了放大器級(jí)之外，ADC還有自己的偏移電壓，也會(huì)增加到系統(tǒng)誤差上。偏移誤差是附加誤差，能輕松地從系統(tǒng)中移除。

增益誤差

圖3顯示了同樣范圍介于+2.5V之間的8位ADC示意圖。請(qǐng)注意，實(shí)際輸出斜率與理想輸出的斜率不同，這種差異就叫作增益誤差。

增益誤差主要是由于放大器中增益設(shè)定電阻的容差和ADC中參考電壓的容差而造成的。增益誤差是一種縮放型誤差，也能輕松地從系統(tǒng)中移除。

代表實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程式

理想的采集系統(tǒng)可以借助簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程式表達(dá)，如方程式3：

這里，y是系統(tǒng)輸出或ADC計(jì)數(shù)

mi是系統(tǒng)的理想增益

x是輸入電壓

在方程式中引入偏移誤差和增益誤差，則有：

這里，ma是實(shí)際系統(tǒng)中帶有誤差的增益

C是偏移誤差

圖4顯示了存在偏移誤差和增益誤差的系統(tǒng)：

片上系統(tǒng) (SoC) 是在單顆芯片上集成模擬和數(shù)字外設(shè)以及微處理器的混合信號(hào)控制器，其不僅在同一器件中集成了模擬前端所需的所有組件，如放大器、濾波器、ADC等，而且還可提供靈活的路由選項(xiàng)。利用這些靈活的資源，我們能精確地解決偏移誤差和增益誤差問(wèn)題。

下面讓我們討論一些用來(lái)消除偏移和增益誤差廣泛采用的校準(zhǔn)方法。每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用不同，我們可使用一種方法、或者多種方法的組合，從而實(shí)現(xiàn)最高的精度。

兩點(diǎn)校準(zhǔn)

這種校準(zhǔn)方法能同時(shí)解決偏移誤差和增益誤差。在方程式4中，如果實(shí)際增益ma和偏移C為已知，那么實(shí)際輸入可用方程式5進(jìn)行計(jì)算：

參數(shù)ma和C均可通過(guò)兩點(diǎn)校準(zhǔn)過(guò)程加以確定：

1、在模擬前端輸入處施加0V電壓，測(cè)量ADC輸出，并記錄為Offset (C)。

2、在輸入處施加已知參考電壓并測(cè)量ADC輸出。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，參考電壓應(yīng)大于滿量程值的90%。

3. 計(jì)算計(jì)數(shù)/電壓 (ma) 或電壓/計(jì)數(shù) (1/ma) 增益。

4、將偏移和增益值存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，并在實(shí)際測(cè)量中使用該值。

當(dāng)偏移和增益值被存儲(chǔ)之后，我們就能使用以下方法測(cè)量輸入信號(hào)：

1. 測(cè)量輸入ADC計(jì)數(shù)。

2. 使用偏移和增益值計(jì)算輸入電壓。

根據(jù)應(yīng)用不同，用于執(zhí)行偏移或刻度校準(zhǔn)的觸發(fā)器可用開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，或者也可通過(guò)通信接口接受命令實(shí)現(xiàn)。

刻度可以是被測(cè)量的實(shí)際單位的函數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，如果您測(cè)量分流器上壓降的電流，那么您不必測(cè)量電壓再得出電流，而是可以直接對(duì)分流器施加參考電流并通過(guò)計(jì)數(shù)/安培來(lái)計(jì)算刻度。這就消除了分流電阻容差所造成的誤差問(wèn)題。

缺點(diǎn)：

使用這種偏移和增益補(bǔ)償方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：

1. 運(yùn)算放大器的偏移有自身的溫度系數(shù)，會(huì)隨溫度而變化。這會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行校準(zhǔn)溫度以外的其它溫度上會(huì)出現(xiàn)偏移誤差。

2. 兩點(diǎn)校準(zhǔn)會(huì)在制造進(jìn)程中多加一個(gè)步驟。

我們可通過(guò)以下技術(shù)方法來(lái)解決這兩個(gè)缺點(diǎn)。