基于TLC4502和MAX111的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自校準(zhǔn)技術(shù)

1、基于TLC4502和MAX111的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自校準(zhǔn)技術(shù)     摘要：介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的自校準(zhǔn)技術(shù)，并以TLC4502和MAX111為例介紹了自校準(zhǔn)功能模塊中運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及使用方法，最后給出了相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。     關(guān)鍵詞：自校準(zhǔn)技術(shù)；A/D轉(zhuǎn)換；TLC4502；MAX111 引言零點(diǎn)溫度漂移和時間漂移往往會對微弱信號的放大及轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生重要影響，從而引起數(shù)據(jù)采集精度的降低。因此，為了提高精度，多采用高精度的基準(zhǔn)源、匹配電阻以及低漂移運(yùn)算放大器，但這樣同時也會使產(chǎn)品成本升高，且線路復(fù)雜，功耗高。

2、本文討論的自校準(zhǔn)技術(shù)能很好地解決時漂和溫漂問題，并進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換的精度，而且硬件簡單，因此適用范圍很廣。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由模擬信號輸入、信號放大器、轉(zhuǎn)換器以及組成，如圖所示。該系統(tǒng)的自校準(zhǔn)精度主要取決于信號放大器和轉(zhuǎn)換器。 校準(zhǔn)信號放大器信號放大器的放大倍數(shù)準(zhǔn)確與否以及時漂、溫漂等問題都會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集的精度，因而對信號放大器進(jìn)行校準(zhǔn)是十分必要的。現(xiàn)在已經(jīng)有一些帶自校準(zhǔn)功能的信號放大器。選用這些器件無疑會大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下面以美國公司的自校準(zhǔn)信號放大器為例進(jìn)行說明。內(nèi)有兩個自校準(zhǔn)運(yùn)放通道，其通道的原理圖如圖所示。通電后，上電復(fù)位電路開始工作，通過控制邏輯電路啟動自校

3、準(zhǔn)過程。首先激活振蕩器以提供逐次逼近算法的時鐘信號,同時斷開、，并接通、。此時,運(yùn)算放大器輸入端短路,輸出為失調(diào)電壓,該電壓經(jīng)到片內(nèi)并通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后,存入寄存器內(nèi),然后再通過片內(nèi)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送到運(yùn)算放大器內(nèi)進(jìn)行失調(diào)對消。經(jīng)過若干個時鐘周期后,失調(diào)電壓逐次逼近零點(diǎn),此時控制邏輯電路自動斷開和，并接通和，校準(zhǔn)過程即告結(jié)束。經(jīng)校準(zhǔn)后，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓的誤差為零，因此，就可以像一般的運(yùn)算放大器一樣使用了。只要不斷電,校準(zhǔn)后的失調(diào)調(diào)零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器中。為了進(jìn)一步降低功耗及防止寬帶噪聲引起的干擾,校準(zhǔn)完成后，放大器芯片會自動關(guān)閉片內(nèi)振蕩器。整個校準(zhǔn)過程約 。當(dāng)應(yīng)用在長期不間斷信號采

4、集的場合時,可通過來控制其定期切斷，然后再接通運(yùn)算放大器電源進(jìn)行自校準(zhǔn),這樣可消除時間漂移引起的誤差。    的自校準(zhǔn)原理下面以兩通道轉(zhuǎn)換器件為例來對自校準(zhǔn)過程進(jìn)行說明。自校準(zhǔn)過程可分為四步（見圖）：() 調(diào)零：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端短接后接到參考電壓負(fù)端。() 增益校準(zhǔn)：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端分別接至參考電壓的正負(fù)端。() 通道（或）調(diào)零校準(zhǔn)：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端短接后接輸入信號的負(fù)端。() 通道（或）正常進(jìn)行轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端分別接至輸入信號的正負(fù)端。    其實(shí)前三步是完成自校準(zhǔn)過程，最后一步是由自校準(zhǔn)過程轉(zhuǎn)到正常工作狀態(tài)。對于普通

5、的轉(zhuǎn)換器件，要完成自校準(zhǔn)過程需要擴(kuò)展外圍電路，圖中的、的功能可以由模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。不過，采用帶自校準(zhǔn)功能模塊的轉(zhuǎn)換器無疑將更方便、更簡潔。美國公司的就是采用了內(nèi)部自動校準(zhǔn)技術(shù)的轉(zhuǎn)換器件。下面就對的使用進(jìn)行介紹。片內(nèi)有個模擬量輸入通道，轉(zhuǎn)換的分辨率可達(dá)到位二進(jìn)制數(shù) 并可用命令字設(shè)定為位、位或位。該芯片的自校準(zhǔn)功能是通過 個校準(zhǔn)命令字分別對片內(nèi)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)、對通道增益參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行校準(zhǔn)、對個模擬通道調(diào)零校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的，通過這三方面的校準(zhǔn)可消除由時漂和溫漂引起的誤差，因而可以達(dá)到很高的精度。的命令字字長為位 由按或串行通信協(xié)議傳送給芯片，命令字格式見表。表中，、 、為轉(zhuǎn)換時間控制位；、用于設(shè)定

6、對時鐘信號的分頻數(shù)，以把時鐘頻率分頻為超采樣頻率；時，關(guān)閉振蕩器；時,關(guān)閉模擬電路部分電源，芯片處于省電模式。、四位用于校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換, 這四位邏輯電平與內(nèi)部操作的對應(yīng)關(guān)系如表所列。表1 MAX111的命令字格式15141312111098NO-OPNUNUCONV4CONV3CONV2CONV1DV476543210DV2NUNUCHSCALNULPDXPD表2 控制字與內(nèi)部功能的對應(yīng)關(guān)系表CALNULCHSNO-OPMAX111內(nèi)部操作0001選擇通道1作為A/D轉(zhuǎn)換輸入(見圖3d)0011選擇通道2作為A/D轉(zhuǎn)換輸入(見圖3d)0101通道1調(diào)零校準(zhǔn)(見圖3c)0111通道2調(diào)零校準(zhǔn)(見圖3c)111A/D調(diào)零(見圖3a)101A/D增益校準(zhǔn)(見圖3b)0禁止A/D轉(zhuǎn)換的自校準(zhǔn)過程要經(jīng)過三步，其方法是向控制寄存器送控制字。第一步：，即，通過把內(nèi)部輸入端短接至可完成一次偏置校正變換將其變換結(jié)果存入零寄存器之后，可重新選擇。第二步：，即，把零寄存器的內(nèi)部作為起始值可完成一次增益校準(zhǔn)變換，其結(jié)果存入校準(zhǔn)寄存器。第三步：，即，把內(nèi)部輸入按照選擇通道完成一次零偏置變換。 應(yīng)用電路舉例根據(jù)前面的介紹和分析，筆者以單片機(jī)作為