[liantaiwei]如何擴展adc芯片以提高精度?---聯泰威電子
1 ADC模塊誤差的定義及影響分析
1.1 誤差定義
常用的A/D轉換器主要存在：失調誤差、增益誤差和線性誤差。這(zhè)裡(lǐ)主要讨論失調誤差和增益誤差。理想情況下，ADC模塊轉換方程爲y=x&TImes;mi，式中x=輸入計數值 =輸入電壓&TImes;4095/3;y=輸出計數值。在實際中，A/D轉換模塊的各種(zhǒng)誤差是不可避免的，這(zhè)裡(lǐ)定義具有增益誤差和失調誤差的ADC模塊的轉換方程爲y=x&TImes;ma±b，式中ma爲實際增益，b爲失調誤差。通過(guò)對(duì)F2812的ADC信号采集進(jìn)行多次測量後(hòu)，發(fā)現ADC增益誤差一般在5%以内，即0.95。
ADC
1.2 影響分析
在計算機測控系統中，對(duì)象數據的采集一般包含兩(liǎng)種(zhǒng)基本物理量：模拟量和數字量。對(duì)于數字量計算機可以直接讀取，而對(duì)于模拟量隻有通過(guò)轉換成(chéng)數字量才能(néng)被(bèi)計算機所接受，因此要實現對(duì)模拟量準确的采集及處理，模數轉換的精度和準确率必須滿足一定的要求。由于F2812的ADC具有一定增益誤差的偏移誤差，所以很容易造成(chéng)系統的誤操作。下面(miàn)分析兩(liǎng)種(zhǒng)誤差對(duì)線性電壓輸入及A/D轉換結果的影響。
F2812用戶手冊提供的ADC模塊輸入模拟電壓爲0～3 V，而實際使用中由于存在增益誤差和偏移誤差，其線性輸入被(bèi)減小。
下面(miàn)以y=x&TImes;1.05+80爲例介紹各項值的計算。當輸入爲0時(shí)，輸出爲80，由于ADC的最大輸出值爲4095，則由式y=x×1.05+80求得輸入最大電壓值爲2.8013。因此，交流輸入電壓範圍爲1.4007±1.4007，此時(shí)有效位數N=ln4015/ln2=11.971，mV/計數位=2.8013/4015=0?6977，其餘項計算同上。表1中的最後(hòu)一行顯示了ADC操作的安全參數，其有效位數減少爲11.865位，mV/計數位從0.7326增加爲0.7345，這(zhè)將(jiāng)會(huì)使轉換結果減少0.2%。
在實際應用中，所采集的信号經(jīng)常爲雙極型信号，因此信号在送至ADC之前需要添加轉換電路，將(jiāng)雙極型信号轉化爲單極型信号。典型的轉換電路如圖2所示。對(duì)于ADC模塊，考慮到增益誤差和失調誤差對(duì)輸入範圍的影響，轉換電路需要調整爲如圖3所示的電路。在圖3中，輸入增益誤差的參考範圍已經(jīng)改變。
ADC
對(duì)于雙極性輸入，其0 V輸入的增益誤差對(duì)應單極性輸入的1.4315V的增益誤差，因此，原有ADC的增益誤差和失調誤差被(bèi)增大了。例如，如果ADC的增益誤差爲5%，失調誤差爲2%，則其雙極性的增益誤差計算如下：雙極性輸入x′= 0.0000 V，單極性的ADC輸入電壓x = 1.4315 V，其理想的轉換值爲ye=1.4315×4095/3=1954，而由ya=1954×1.05+80計算得實際轉換值，則雙極性增益誤差爲ya-ye=2132-1954=178（9.1%誤差）。通過(guò)計算可以看出，ADC的誤差大大增加，因此要使用ADC進(jìn)行數據采集，就(jiù)必須對(duì)ADC進(jìn)行校正，提高其轉換精度。
2 ADC校正
2.1校正方法
通過(guò)以上分析可以看出，F2812的ADC轉換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調誤差，因此要提高轉換精度就(jiù)必須對(duì)兩(liǎng)種(zhǒng)誤差進(jìn)行補償。對(duì)于ADC模塊采取了如下方法對(duì)其進(jìn)行校正。
選用ADC的任意兩(liǎng)個通道(dào)作爲參考輸入通道(dào)，并分别提供給它們已知的直流參考電壓作爲輸入（兩(liǎng)個電壓不能(néng)相同），通過(guò)讀取相應的結果寄存器獲取轉換值，利用兩(liǎng)組輸入輸出值求得ADC模塊的校正增益和校正失調，然後(hòu)利用這(zhè)兩(liǎng)個值對(duì)其他通道(dào)的轉換數據進(jìn)行補償，從而提高了ADC模塊轉換的準确度。圖1示出了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調。具體計算過(guò)程如下：
① 獲取已知輸入參考電壓信号的轉換值yL和yh。
② 利用方程y=x×ma+b及已知的參考值（xL，yL）和（xH，yH）計算實際增益及失調誤差：
實際增益ma=（yH-yL）/（xH-xL）;
失調誤差 b=“yL” -xL×ma。
③ 定義輸入x=y×CalGain-CalOffset，則由方程y=x×ma+b得校正增益CalGain=1/ma=（xH-xL）/（yH -yL），校正失調CalOffset=b/ma=yL/ma-xL。
④ 將(jiāng)所求的校正增益及校正失調應用于其他測量通道(dào)，對(duì)ADC轉換結果進(jìn)行校正。
上述即爲實現ADC校正的全過(guò)程，通過(guò)使用這(zhè)種(zhǒng)方法，ADC的轉換精度有很大提高。由于這(zhè)種(zhǒng)方法是通過(guò)某個通道(dào)的誤差去修正其他通道(dào)的誤差，因此要采用這(zhè)種(zhǒng)方法，必須保證通道(dào)間具有較小的通道(dào)誤差。對(duì)F2812ADC轉換模塊，由于其通道(dào)間的增益及失調誤差均在0.2%以内，所以可以采用這(zhè)種(zhǒng)方法對(duì)其進(jìn)行校正。
深圳市西城微科電子有限公司(聯泰威電子有限公司)位于深圳市福田區，是以軟件開(kāi)發(fā)和芯片代理爲主營業務的科技型企業。公司從2005年開(kāi)始從事(shì)芯片代理及方案開(kāi)發(fā)，對(duì)單片機和标準芯片的選型有著(zhe)豐富的經(jīng)驗，可以爲客戶提供最佳的産品和最優質的服務。
公司代理合泰、芯海、紘康、松翰、華潤、晟矽微電、敏芯等國(guó)際知名品牌公司的産品，可以爲客戶提供：8位/32位MCU、LCD/LED/VFD驅動、EEPROM存儲器、電源管理、時(shí)鍾電路、低功耗運放、觸摸按鍵等一系列标準IC與技術支持。公司緻力于不同領域電子産品的研發(fā)，可以爲客戶提供自信的藍牙秤方案、藍牙四電極/八電極交流測脂方案、藍牙直流測脂方案、藍牙PM2.5方案、藍牙心率檢測方案、藍牙電量檢測方案、普通電子秤方案、胎壓計方案、血壓計方案、紅外耳溫槍方案、電子體溫計方案、LED電源驅動、觸控開(kāi)關、充電器、移動電源、報警器、單車表、計步器、熱電偶、電池電量儀等産品的相關成(chéng)熟方案。
公司有著(zhe)各種(zhǒng)電子方案的深厚開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，歡迎廣大客戶定制開(kāi)發(fā)方案。公司以市場需求爲導向(xiàng)，客戶需求爲己任，盡可能(néng)的爲客戶提供最新的市場資訊，最佳的産品與做優質的服務，以争取和客戶取得雙赢，實現永續經(jīng)營爲追求之目标。
