基于TLC4502和MAX111的數據采集系統自校準技術

關鍵詞：自校準技術；A/D轉換；TLC4502；MAX111

１ 引言

零點溫度漂移和時間漂移往往會對微弱信號的放大及Ａ／Ｄ轉換過程產生重要影響，從而引起數據采集精度的降低。因此，為了提高精度，多采用高精度的基準源、匹配電阻以及低漂移運算放大器，但這樣同時也會使產品成本升高，且線路復雜，功耗高。本文討論的自校準技術能很好地解決時漂和溫漂問題，并進一步提高Ａ／Ｄ轉換的精度，而且硬件簡單，因此適用范圍很廣。

２ 數據采集系統的一般組成

數據采集系統一般由模擬信號輸入、信號放大器、Ａ／Ｄ轉換器以及ＭＣＵ組成，如圖１所示。該系統的自校準精度主要取決于信號放大器和Ａ／Ｄ轉換器。

２．１ 校準信號放大器

信號放大器的放大倍數準確與否以及時漂、溫漂等問題都會嚴重影響數據采集的精度，因而對信號放大器進行校準是十分必要的。現在已經有一些帶自校準功能的信號放大器。選用這些器件無疑會大大簡化系統設計。下面以美國ＴＩ公司的自校準信號放大器ＴＬＣ４５０２為例進行說明。ＴＬＣ４５０２內有兩個自校準運放通道，其通道的原理圖如圖２所示。

通電后，上電復位電路開始工作，通過控制邏輯電路啟動自校準過程。首先激活ＲＣ振蕩器以提供逐次逼近算法的時鐘信號,同時斷開Ｋ１、Ｋ４，并接通Ｋ２、Ｋ３。此時,運算放大器輸入端短路,輸出為失調電壓,該電壓經Ｋ３到片內并通過Ａ／Ｄ轉換器轉換后,存入寄存器ＳＡＲ內,然后再通過片內Ｄ／Ａ轉換器轉換后送到運算放大器內進行失調對消。經過若干個時鐘周期后,失調電壓逐次逼近零點,此時控制邏輯電路自動斷開Ｋ２和Ｋ３，并接通Ｋ１和Ｋ４，校準過程即告結束。經校準后，運算放大器的失調電壓的誤差為零，因此，就可以像一般的運算放大器一樣使用了。

只要不斷電,校準后的失調調零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器ＳＡＲ中。為了進一步降低功耗及防止寬帶噪聲引起的干擾,校準完成后，放大器芯片會自動關閉片內ＲＣ振蕩器。整個校準過程約 ３００ｍｓ。當ＴＬＣ４５０２應用在長期不間斷信號采集的場合時,可通過ＣＰＵ來控制其定期切斷，然后再接通運算放大器電源進行自校準,這樣可消除時間漂移引起的誤差。

２．２ Ａ／Ｄ的自校準原理

下面以兩通道Ａ／Ｄ轉換器件為例來對自校準過程進行說明。自校準過程可分為四步（見圖３）：

(１) Ａ／Ｄ調零：Ａ／Ｄ轉換器的兩個輸入端短接后接到參考電壓負端。

(２) Ａ／Ｄ增益校準：Ａ／Ｄ轉換器的兩個輸入端分別接至參考電壓的正負端。

(３) 通道１（或２）調零校準：Ａ／Ｄ轉換器的兩個輸入端短接后接輸入信號的負端。

(４) 通道１（或２）正常進行Ａ／Ｄ轉換：Ａ／Ｄ轉換器的兩個輸入端分別接至輸入信號的正負端。

其實前三步是完成自校準過程，最后一步是由自校準過程轉到正常工作狀態。對于普通的Ａ／Ｄ轉換器件，要完成自校準過程需要擴展外圍電路，圖３中的Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３的功能可以由模擬開關來實現。不過，采用帶自校準功能模塊的Ａ／Ｄ轉換器無疑將更方便、更簡潔。美國ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ１１０／１１１就是采用了內部自動校準技術的Ａ／Ｄ轉換器件。下面就對ＭＡＸ１１１的使用進行介紹。

ＭＡＸ１１１片內有２個模擬量輸入通道，Ａ／Ｄ轉換的分辨率可達到１４位二進制數 ?并可用命令字設定為１４位、１３位或１２位。該芯片的自校準功能是通過 ３個校準命令字分別對片內Ａ／Ｄ轉換器進行調零校準、對通道增益參照基準電壓進行校準、對２個模擬通道調零校準來實現的，通過這三方面的校準可消除由時漂和溫漂引起的誤差，因而可以達到很高的精度。

ＭＡＸ１１１的命令字字長為１６位 ?由ＣＰＵ按ＳＰＩ或ＱＳＰＩ串行通信協議傳送給ＭＡＸ１１１芯片，命令字格式見表１。表１中，ＣＯＮＶ４、ＣＯＮＶ３、ＣＯＮＶ２ 、ＣＯＮＶ１為轉換時間控制位；ＤＶ４、ＤＶ２用于設定對時鐘信號的分頻數，以把時鐘頻率分頻為超采樣頻率；ＰＤＸ＝１時，關閉ＲＣ振蕩器；ＰＤ＝１時,關閉模擬電路部分電源，芯片處于省電模式。ＮＯ－ＯＰ、ＣＨＳ、ＣＡＬ、ＮＵＬ四位用于校準和Ａ／Ｄ轉換, 這四位邏輯電平與ＭＡＸ１１１內部操作的對應關系如表２所列。

表1 MAX111的命令字格式

表2 控制字與內部功能的對應關系表

ＭＡＸ１１１的自校準過程要經過三步，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，通過把內部ＡＤＣ輸入端短接至ＲＥＦ－可完成一次偏置校正變換?將其變換結果存入零寄存器之后，Ｄ１２～Ｄ９可重新選擇。

第二步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００?０００Ｘ?Ｘ００Ｘ?１０００，即ＣＡＬ＝１，ＮＵＬ＝０，把零寄存器的內部作為起始值可完成一次增益校準變換，其結果存入校準寄存器。

第三步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００，０００Ｘ，ＸＸ００，Ｘ１００，即ＣＡＬ＝０，ＮＵＬ＝１，把內部ＡＤＣ輸入按照選擇通道完成一次零偏置變換。

３ 應用電路舉例

根據前面的介紹和分析，筆者以５１單片機作為ＣＰＵ，利用ＴＬＣ４５０２和ＭＡＸ１１１設計出一個可自校準的數據采集系統。其原理圖如圖４所示。

４ 結束語

采用自校準技術的數據采集系統能夠很好地克服由溫漂、時漂引起的誤差，從而大大提高數據采集的精度，因此，該方法特別適合需要實時數據采集的應用場合。