精密ADC中的系统校准和背景校准

在上一篇文章中，我们了解了一些精密模数转换器 (ADC)支持的自校准功能。我们还讨论了，除了ADC 的内部误差外，外部电路也会在我们的测量中产生显着的偏移和增益误差。

本文研究了一些精密 ADC 中实现的另外两种校准功能，即系统校准和背景校准模式。

通过系统校准消除偏移和增益误差

在自校准补偿 ADC 内部误差的同时，系统校准功能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，而系统校准则需要用户从外部向 ADC 施加适当的输入。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。

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

对于系统失调校准，用户从外部向 ADC 输入施加零伏并运行系统失调校准例程。校准功能试图补偿电路板和 ADC 内部电路产生的任何偏移。图 2 说明了EVAL-AD7124-4SDZ 评估板的系统偏移校准。

图 2.  EVAL-AD7124-4SDZ 的失调校准。图片由Analog Devices提供

请注意，ADC 输入 AIN 0和 AIN 2在外部短路。虽然 AD7124-4 具有 ±15 μV 的典型未校准失调，但上述系统在未经校准的情况下表现出 24 μV 失调。执行系统失调校准后，零输入的 ADC 输出代码的模拟等效值约为 120 nV，与 ADC 噪声数量级相当。

系统偏移误差源

您可能会问：是什么影响使上述简单系统具有 24 μV 的偏移，而 ADC 偏移仅为 ±15 μV？但是，由于 ADI 文档没有对此进行详细说明，因此这种额外偏移的来源似乎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，就会产生热电偶。这不可避免地发生在正常电路布线中（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 迹线和 IC 的 Kovar 引脚的连接处。这些结表现出大约 35 μV/°C 的塞贝克系数。

如您所见，电路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。对于匹配的输入线路，热电偶效应理想情况下应在 ADC 输入端产生共模电压，该电压将被 ADC 的共模抑制比 (CMRR)衰减。

虽然相同的信号路径可以最大限度地减少热电偶效应，但它们不能完全消除它，因为整个电路板上可能存在温度梯度。然而，如果这个温度梯度是恒定的，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和滤波器也会导致系统失调误差。

例如，考虑下面图 3 中的电路图。

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，输入与信号源断开连接并通过开关短接到地。在本例中，放大器 U1 和 U2 的失调以及 ADC 失调会影响整个系统的失调。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。 如果与前端信号调节电路相关的失调温度漂移限制了性能，我们将需要在工作温度发生显着变化时重复系统校准。

系统增益校准

系统增益校准校正信号路径中的增益误差。在系统增益校准中，输入从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）。

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，基准电压为 2.5 V。如果 PGA 增益为 2 且AD7124-4 配置为双极性模式，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因素，1.25 V 输入可能无法在未经校准的情况下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 转换过程产生的代码映射到 ADC 输出端的理想满量程代码。再举一个例子，考虑下面图 5 中的3 线比例 RTD 测量系统。

图 5. 三线比例 RTD 测量系统图。

假设 RTD 将测量的最高温度为 814 °C。要为 ADC 产生满量程信号，我们可以用 0.01%、380Ω 电阻器代替 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以及 814 °C 实际上对应于 379.871 Ω 而不是 380 Ω 等因素。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，为了从 ADC 本身获得误差，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导致 ADC 传递函数中的增益误差。您可以验证如果指定为百分比的参考电压容差为 x，则来自电压参考容差的增益误差也约为 x 百分比。例如，初始精度为 0.05% 的参考电压会导致 ADC 传递函数中出现大约 0.05% 的增益误差。

对于更复杂的信号链，如图 3 中的信号链，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影响因素。

关于系统校准的最终想法

如上所述，应将适当的输入电压从外部施加到 ADC 以进行系统校准。应该注意的是，这些输入应该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。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和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。 

背景校准

这是在某些 ADC 中发现的另一种自校准类型，例如 Analog Devices 的AD7714  。对于背景校准，校准过程与正常的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。这将 ADC 的输出数据速率降低了 6 倍；但是，它使器件能够持续消除温度漂移、电源灵敏度和老化对零电平误差的影响。 

TI的LMP90100 也是包含背景校准的设备的一个很好的例子。使用传统的后台校准方法，必须在 ADC 计算偏移或增益系数时中断 ADC 输入。但是，LMP90100 使用不同的校准技术（对输入信号进行了一些假设），该技术对 ADC 的输出数据速率的影响最小。有关此设备的更多信息，请参阅此应用报告。    

审核编辑：汤梓红