SoC中放大器和ADC的校准

2012-10-12 15:57:59来源: 电子产品世界

 


  在当今的混合信号系统世界里,许多应用都需要测量和处理大量的模拟信号,包括但不限于电压、电流、温度、压力、加速度、pH值、流量和ECG等。相关应用领域包括可控环境下的实验室和医疗设备,也包括运行在恶劣工作条件下的工业设备。需要测量的模拟信号范围很大,包括ECG系统中的几微伏电压到发电站的数千伏电压等。

  无论是什么应用、环境或待测量的信号量,基本的信号采集系统都包含一个放大和调节信号的模拟前端以及将模拟信号转换为数字值、然后由微处理器加以处理的模数转换器 (ADC)。模拟前端可能是一个简单的放大器,也可能是包含多级放大器和滤波器的复杂系统。

  基本信号调节电路的方框图如下所示:  

 

  放大器增益

  假定系统是理想状态,那么ADC输出由以下方程式表示:  

 

  这里,VIN为输入电压

  A为放大器增益
  VFS为ADC的范围
  N为ADC的分辨率

  对于ADC计数而言,微处理器根据以下方程式计算输入电压:  

 

  可惜的是,在现实世界中,没有所谓“理想”的情况,系统必须应对引入系统并影响ADC输出的误差。最重要的误差也就是我们本文将要讨论的误差——偏移误差和增益误差。

  偏移误差

  图2显示了范围介于+2.5V之间的8位ADC示意图。X轴表示输入电压,Y轴表示ADC计数。蓝线为理想的ADC输出。红线则为实际的ADC输出。请注意,实际输出与理想状态不同,这种差异就叫作偏移误差。  

所有运算放大器的输入都存在有限的偏移电压。偏移电压被添加到输入信号上,然后被放大器增益放大并在输出处表现出来。除了放大器级之外,ADC还有自己的偏移电压,也会增加到系统误差上。偏移误差是附加误差,能轻松地从系统中移除。

  增益误差

  图3显示了同样范围介于+2.5V之间的8位ADC示意图。请注意,实际输出斜率与理想输出的斜率不同,这种差异就叫作增益误差。  

 

  增益误差主要是由于放大器中增益设定电阻的容差和ADC中参考电压的容差而造成的。增益误差是一种缩放型误差,也能轻松地从系统中移除。

  代表实际系统的数学方程式

  理想的采集系统可以借助简单的数学方程式表达,如方程式3:  

 

  这里,y是系统输出或ADC计数

  mi是系统的理想增益
  x是输入电压

  在方程式中引入偏移误差和增益误差,则有:  

 

  这里,ma是实际系统中带有误差的增益

  C是偏移误差

图4显示了存在偏移误差和增益误差的系统:  

 

  片上系统 (SoC) 是在单颗芯片上集成模拟和数字外设以及微处理器的混合信号控制器,其不仅在同一器件中集成了模拟前端所需的所有组件,如放大器、滤波器、ADC等,而且还可提供灵活的路由选项。利用这些灵活的资源,我们能精确地解决偏移误差和增益误差问题。

  下面让我们讨论一些用来消除偏移和增益误差广泛采用的校准方法。每种方法都有自己的优点和缺点。根据应用不同,我们可使用一种方法、或者多种方法的组合,从而实现最高的精度。

  两点校准

  这种校准方法能同时解决偏移误差和增益误差。在方程式4中,如果实际增益ma和偏移C为已知,那么实际输入可用方程式5进行计算:  

 

  参数ma和C均可通过两点校准过程加以确定:

  1、在模拟前端输入处施加0V电压,测量ADC输出,并记录为Offset (C)。
  2、在输入处施加已知参考电压并测量ADC输出。为了实现最佳性能,参考电压应大于满量程值的90%。
  3. 计算计数/电压 (ma) 或电压/计数 (1/ma) 增益。  

  

 

  4、将偏移和增益值存储在非易失性存储器中,并在实际测量中使用该值。

  当偏移和增益值被存储之后,我们就能使用以下方法测量输入信号:

  1. 测量输入ADC计数。
  2. 使用偏移和增益值计算输入电压。  

  

 

  根据应用不同,用于执行偏移或刻度校准的触发器可用开关实现,或者也可通过通信接口接受命令实现。

  刻度可以是被测量的实际单位的函数。举例来说,如果您测量分流器上压降的电流,那么您不必测量电压再得出电流,而是可以直接对分流器施加参考电流并通过计数/安培来计算刻度。这就消除了分流电阻容差所造成的误差问题。

  缺点:

  使用这种偏移和增益补偿方法有两个缺点:

  1. 运算放大器的偏移有自身的温度系数,会随温度而变化。这会导致在进行校准温度以外的其它温度上会出现偏移误差。
  2. 两点校准会在制造进程中多加一个步骤。

  我们可通过以下技术方法来解决这两个缺点。

相关双采样

  相关双采样 (CDS) 可用于动态补偿偏移误差。以下给出了实施CDS的方法:

  1. 连接放大器输入到接地。
  2. 测量ADC输出。ADC测量的任何非零值都是由于系统偏移误差而造成的。
  3. 在Offset变量中存储该值。
  4. 连接放大器输入到信号。
  5. 测量ADC输出。
  6. 减去第 2 步中测量到的Offset值,这就得到偏移补偿后的结果。
  7. 每次测量都重复第 1 步到第 6 步。

  由于每次测量都涉及偏移测量,因此温度造成的偏移电压的任何漂移均可以自动得到补偿。  

 

  该系统的不足在于,由于每个周期都要进行两次测量,因此ADC吞吐量会减少 2 倍。如果不希望降低吞吐量,那么我们可以减少测量偏移电压的频率,也就是不必每个测量周期都测量一次偏移,可以每16个或32个测量周期进行一次测量。

  外部电压参考的增益校准

  我们可用温度系数极低的高精度外部参考电压来补偿增益误差。  

 

  以下给出了使用外部参考实施增益补偿的步骤:

  1. 连接已知的参考电压,比如说带1.225V参考电压的AD1580B,温度漂移为50 ppm/°C,连接到放大器输入。
  2. 测量ADC计数。
  3. 用已知参考电压和ADC计数来计算增益。
  4. 连接信号到放大器输入。
  5. 测量ADC计数。
  6. 计算ADC计数的输入信号和第 3 步中计算的增益。

  现在,将用于偏移补偿的CDS以及用于增益补偿的外部参考法相结合,我们就能构建全自动化的系统了。图6显示了这种系统的实施方案。  

 

   该方法可提供一个全自动的高精度无误差系统,其不足之处在于因为外部高精度电压参考而提高了成本。

把概念投入实测

  我们使用赛普拉斯推出的PSoC(可编程片上系统)混合信号控制器(其包括灵活的模拟和数字外设以及板上微控制器)来测量CDS和两点校准等上述概念。该器件具有通用模拟模块,其可以构建可编程增益放大器、ADC、DAC、滤波器等各种模拟外设。此外,该器件还可提供非常灵活的模拟路由资源,包括输入多路复用器、模拟输出缓冲器、灵活的模块间连接功能等。图8给出了器件中模拟资源的配置情况。  

  我们在增益为16的可编程增益放大器输入处采用4:1的输入多路复用器以切换输入信号和模拟接地。PGA的输出提供给12位增量型ADC。参考发生器可用于生成2.5V的模拟接地,然后被带出到采用模拟缓冲器的引脚上。+60mV的输入信号就2.5V参考连接到输入引脚上。利用这种硬件设置,可编写三套不同的应用代码。

  1. 无偏移或增益补偿的应用。
  2. 采用CDS进行偏移补偿的应用。
  3. 通过两点校准进行偏移和增益补偿的应用。

  在上述所有三种应用中,测量到的输入显示在LCD显示器上。上述三种应用获得的测试结果如下所示:

  输入 +60mV
  增益 16.00
  参考 1.3V(内部)  

 

  满量程误差为未校准系统的+11%上下。仅用CDS进行偏移补偿,误差可减少到大约+0.4%上下。而结合两点校准,误差可降低到+0.07%上下。

  下表列出了信号采集系统中采取不同技术消除偏移和增益误差的优缺点:  

 

  根据系统精度和成本的不同要求,我们可采用上述某种技术或结合采用多种技术,从而构建起高精度信号采集系统。

 

关键字:ADC

编辑:Gem 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1012/article_17065.html
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