数据采集系统自校准技术的原理及实现方法

１、引言

零点温度漂移和时间漂移往往会对微弱信号的放大及Ａ／Ｄ转换过程产生重要影响，从而引起数据采集精度的降低。因此，为了提高精度，多采用高精度的基准源、匹配电阻以及低漂移运算放大器，但这样同时也会使产品成本升高，且线路复杂，功耗高。本文讨论的自校准技术能很好地解决时漂和温漂问题，并进一步提高Ａ／Ｄ转换的精度，而且硬件简单，因此适用范围很广。

２、数据采集系统的一般组成

数据采集系统一般由模拟信号输入、信号放大器、Ａ／Ｄ转换器以及ＭＣＵ组成，如图１所示。该系统的自校准精度主要取决于信号放大器和Ａ／Ｄ转换器。

２．１ 校准信号放大器

信号放大器的放大倍数准确与否以及时漂、温漂等问题都会严重影响数据采集的精度，因而对信号放大器进行校准是十分必要的。现在已经有一些带自校准功能的信号放大器。选用这些器件无疑会大大简化系统设计。下面以美国ＴＩ公司的自校准信号放大器ＴＬＣ４５０２为例进行说明。ＴＬＣ４５０２内有两个自校准运放通道，其通道的原理图如图２所示。

通电后，上电复位电路开始工作，通过控制逻辑电路启动自校准过程。首先激活ＲＣ振荡器以提供逐次逼近算法的时钟信号，同时断开Ｋ１、Ｋ４，并接通Ｋ２、Ｋ３。此时，运算放大器输入端短路，输出为失调电压，该电压经Ｋ３到片内并通过Ａ／Ｄ转换器转换后，存入寄存器ＳＡＲ内，然后再通过片内Ｄ／Ａ转换器转换后送到运算放大器内进行失调对消。经过若干个时钟周期后，失调电压逐次逼近零点，此时控制逻辑电路自动断开Ｋ２和Ｋ３，并接通Ｋ１和Ｋ４，校准过程即告结束。经校准后，运算放大器的失调电压的误差为零，因此，就可以像一般的运算放大器一样使用了。

只要不断电，校准后的失调调零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器ＳＡＲ中。为了进一步降低功耗及防止宽带噪声引起的干扰，校准完成后，放大器芯片会自动关闭片内ＲＣ振荡器。整个校准过程约 ３００ｍｓ。当ＴＬＣ４５０２应用在长期不间断信号采集的场合时，可通过ＣＰＵ来控制其定期切断，然后再接通运算放大器电源进行自校准，这样可消除时间漂移引起的误差。

２．２ Ａ／Ｄ的自校准原理

下面以两通道Ａ／Ｄ转换器件为例来对自校准过程进行说明。自校准过程可分为四步（见图３）：

（１） Ａ／Ｄ调零：Ａ／Ｄ转换器的两个输入端短接后接到参考电压负端。

（２） Ａ／Ｄ增益校准：Ａ／Ｄ转换器的两个输入端分别接至参考电压的正负端。

（３） 通道１（或２）调零校准：Ａ／Ｄ转换器的两个输入端短接后接输入信号的负端。

（４） 通道１（或２）正常进行Ａ／Ｄ转换：Ａ／Ｄ转换器的两个输入端分别接至输入信号的正负端。

其实前三步是完成自校准过程，最后一步是由自校准过程转到正常工作状态。对于普通的Ａ／Ｄ转换器件，要完成自校准过程需要扩展外围电路，图３中的Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３的功能可以由模拟开关来实现。不过，采用带自校准功能模块的Ａ／Ｄ转换器无疑将更方便、更简洁。美国ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ１１０／１１１就是采用了内部自动校准技术的Ａ／Ｄ转换器件。下面就对ＭＡＸ１１１的使用进行介绍。

ＭＡＸ１１１片内有２个模拟量输入通道，Ａ／Ｄ转换的分辨率可达到１４位二进制数 ？并可用命令字设定为１４位、１３位或１２位。该芯片的自校准功能是通过 ３个校准命令字分别对片内Ａ／Ｄ转换器进行调零校准、对通道增益参照基准电压进行校准、对２个模拟通道调零校准来实现的，通过这三方面的校准可消除由时漂和温漂引起的误差，因而可以达到很高的精度。ＭＡＸ１１１的命令字字长为１６位 ？由ＣＰＵ按ＳＰＩ或ＱＳＰＩ串行通信协议传送给ＭＡＸ１１１芯片，命令字格式见表１。表１中，ＣＯＮＶ４、ＣＯＮＶ３、ＣＯＮＶ２ 、ＣＯＮＶ１为转换时间控制位；ＤＶ４、ＤＶ２用于设定对时钟信号的分频数，以把时钟频率分频为超采样频率；ＰＤＸ＝１时，关闭ＲＣ振荡器；ＰＤ＝１时，关闭模拟电路部分电源，芯片处于省电模式。ＮＯ－ＯＰ、ＣＨＳ、ＣＡＬ、ＮＵＬ四位用于校准和Ａ／Ｄ转换， 这四位逻辑电平与ＭＡＸ１１１内部操作的对应关系如表２所列。

ＭＡＸ１１１的自校准过程要经过三步，其方法是向控制寄存器送控制字。

第一步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００，０００Ｘ，Ｘ００Ｘ，１１００，即ＣＡＬ＝１，ＮＵＬ＝１，通过把内部ＡＤＣ输入端短接至ＲＥＦ－可完成一次偏置校正变换？将其变换结果存入零寄存器之后，Ｄ１２～Ｄ９可重新选择。

第二步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００？０００Ｘ？Ｘ００Ｘ？１０００，即ＣＡＬ＝１，ＮＵＬ＝０，把零寄存器的内部作为起始值可完成一次增益校准变换，其结果存入校准寄存器。

第三步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００，０００Ｘ，ＸＸ００，Ｘ１００，即ＣＡＬ＝０，ＮＵＬ＝１，把内部ＡＤＣ输入按照选择通道完成一次零偏置变换。

３、应用电路举例

根据前面的介绍和分析，笔者以５１单片机作为ＣＰＵ，利用ＴＬＣ４５０２和ＭＡＸ１１１设计出一个可自校准的数据采集系统。其原理图如图４所示。

４、结束语

采用自校准技术的数据采集系统能够很好地克服由温漂、时漂引起的误差，从而大大提高数据采集的精度，因此，该方法特别适合需要实时数据采集的应用场合。

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