图10显示在经过后端校准后,理论增益误差与RFILTER呈函数关系,许多输入阻抗值都在AD7606的15%公差范围内。如果输入阻抗与数据手册中的典型规格(绿线)相同,表示后端校准完全消除了RFILTER导致的增益误差。但是,如果在最坏情况下,控制器假设RIN = 1.2 MΩ(AD7606C-16数据手册中给出的典型输入阻抗),但电阻实际上为1 MΩ(数据手册中给出的最小值),那么后端校准会不准确,在RFILTER = 30 kΩ这个给定值下,得出的增益误差会大于0.5%,无法满足行业标准的要求。
图10.后端校准误差取决于实际RIN值
AD7606B和AD7606C提供片内增益校准功能,在创建高精度数据采集系统时更具优势。1 无需消耗主机控制器的资源,也无需在出厂测试期间执行任何测量,即可轻松使用和实现的系统增益误差。每个通道有一个寄存器,您可以将RFILTER值写入该寄存器,ADC之后有一个数字模块,会以数字方式补偿这个电阻增加的误差。这个用户可编程的数字模块可以补偿增益、失调和相位误差,本文只介绍增益误差。这个片内增益校准模块可以获知准确的输入阻抗(RIN),所以它始终比后端校准更精准,与实际的RIN和RFILTER值无关。
图11.片内校准模块。仅以一侧通道为例
这个8位寄存器表示RFILTER整数变量,可以对高达64 kΩ的电阻实施补偿,分辨率为1024 Ω。因为这种离散分辨率,如果RFILTER不是1024的倍数,会产生舍入误差。图12中的图表显示后校准误差如何保持在±0.05%以下,不受RFILTER和RIN影响(在计算校准系数(K)时会使用这两个值),不假设RIN等于其典型值,而是使用内部实际测量得出的RIN值。如果与图10相比,以RFILTER = 30 kΩ为例,这意味着误差降低高达10倍。这个误差与RFILTER完全无关,RFILTER越大,误差降低的幅度越大。
图12.片内校准模块,按照通道
因为输入阻抗误差会影响校准精度,所以RFILTER误差也会影响校准精度。但是,请大家注意三点:
► RFILTER比RIN小得多,且分立式电阻公差一般也优于内部1 MΩ输入阻抗公差。
► 在后端校准和片内校准方案中,都会用到RFILTER公差导致的误差。
► 用户可以通过使用公差更低的分立式电阻来最小化RFILTER公差。
我们可以在启用片内校准功能的情况下执行类似研究,假设RFILTER在最糟糕的公差下,以比较不同的常用公差:5%、1%和0.1%。
图13.RFILTER分立式电阻公差对片内校准功能精度的影响(最糟糕情况下)
试验台验证
输入阻抗产生的影响
根据之前的理论分析,从图14和图15所示的测试数据可以看出,输入阻抗(RIN)高达5倍时,RFILTER电阻对系统增益误差的影响会降低大约5。例如,AD7606 (RIN = 1 MΩ)前面的20 kΩ电阻会导致约1%的误差,而这个电阻位于AD7606B (RIN = 5 MΩ)前面时,只会导致约0.2%的误差。但是,只需打开片内增益校准功能,即可进一步改善精度。无需执行任何测量;只需写入RFILTER值,四舍五入取最近的1024 Ω的倍数。如此,会将误差大幅较低至低于0.01%,如图14所示。请注意,这个误差实际上是总非调整误差(TUE),包括所有的误差源,因为:
► 假设基准电压源和基准电压源缓冲器都是理想的。没有去除与2.5 V基准电压源或4.4 V基准电压源缓冲器输出之间的偏差。
► 假设在写入值下,该电阻是理想的,即使存在1%的公差。没有去除与预期电阻值之间的偏差。
► 没有从测量值中去除失调误差,包括AD7606x失调误差或前端电阻之间的不匹配。
图14.在启用片内增益校准时,AD7606B的总误差
AD7606C-16和AD7606C-18的输入阻抗与AD7606B和AD7606不同,为1.2 MΩ(典型值)。因为输入阻抗更低,所以该系列中的这些泛型可以实现更低的噪声和更高的SNR性能。另一方面,在模拟输入前面使用一个电阻时,它们的系统增益误差相似。通过启用片内增益校准,可以再次大幅降低误差,降低到0.03%以下。
图15. (a) AD7606C-16在启用和不启用片内增益校准时,系统增益误差与RFILTER呈函数关系
(b) 片内校准图上的特写
总之,外部前端电阻(RFILTER)导致的增益误差和片内校准功能的精度都取决于输入电阻(RIN),在每个器件内部该值都是已知的。对这三个类型,如果不进行校准,那么增益误差随RFILTER呈线性变化,表2显示在3个给定的RFILTER值下,三个类型之间的比较,以及它们如何完全不受这些电阻值影响。
表2.在给定RFILTER下,不同泛型(校准和未校准状态下)的总误差(%)
RFILTER RFILTER |
AD7606 |
AD7606B (5 MΩ) |
AD7606C (1 MΩ) |
||
未校准 |
片内校准* |
未校准 |
片内校准* |
||
10 kΩ |
0.5% |
0.1% |
0.01% |
0.45% |
0.03% |
20 kΩ |
1.05% |
0.2% |
0.01% |
0.95% |
0.03% |
50 kΩ |
2.5% |
0.5% |
0.01% |
2.5% |
0.03% |
*最糟糕的误差,与RFILTER值无关
可以将这个实际数据与AD7606B/AD7606C部分中获取的理论数据进行比较。作为示例,图16在同一个图中显示在启用片内校准时,从AD7606C-16上采集的与RFILTER呈函数关系的总误差,以及基于图13中的理论分析计算得出的最糟糕误差。尽管测试所得的误差数据实际上是总非调整误差(未去除失调或线性误差),它们仍然低于理论数值。这表明,首先,增益误差是器件总非调整误差的主要部分,其次,用在电阻输入ADC前面的真实电阻的公差在1%指定公差范围内。
在任何情况下,确认总DC误差始终小于±0.1% FS,这是许多应用的目标,且无需进行校准,只需将置于前方的电阻的值写入ADC,只要低于65 kΩ ±1%,则与其值无关。
图16.AD7606C-16的实际结果与理论分析结果之间的比较
片内校准与后端校准(测试结果)
如理论研究部分所述,可以在控制器一端(MCU、FPGA、DSP)使用简单的校准系数。但是,这样有两大缺点:需要额外的控制器资源,以及器件与器件之间的输入阻抗差异会导致误差。为了显示与后端校准相比,片内校准所具备的优势,我们测量了一系列AD7606C-18装置(在图17中,受测装置(UUT)的编号为1到4),在测量时,假设输入阻抗始终为典型值(RIN = 1.2 MΩ)。
► 如图17a所示,UUT #1可以出色完成校准,可与片内校准相媲美。这意味着它的实际输入阻抗(RIN)非常接近典型值。
► UUT #2至#4显示出一定偏差,这意味着实际输入阻抗(RIN)稍微高于典型值。
► 片内校准(在所有4个图中,以深蓝色显示)保持所有装置和RFILTER值的总误差均低于0.03%。
在后端控制器中使用校准系数时,并不考虑PGA的实际输入阻抗,这意味着器件与器件之间的差异会导致后校准误差。但是,片内校准会从内部测量输入阻抗,所以校准结果更准确,且与置于前面的RFILTER和实际RIN阻抗无关。这种更低的后校准误差有助于我们实现更高效、易于使用且精准的系统设计,这是除开“无需对控制器的每个单独的ADC数据点执行后处理,避免消耗资源”这个优势以外的另一个优势。
结论
电阻输入同步采样ADC是一种完整的解决方案,所有信号链模块均在芯片上,提供出色的AC和DC性能,易于使用,可以直接与传感器连接。正如某些应用指明,需要在模拟输入前面增加外部电阻。这些外部电阻会增大系统的精度误差,导致上市时间延长,且会增加额外的校准成本。ADI公司推出AD7606B系列新型阻抗输入ADC,帮助解决这一问题。该解决方案包括更大的输入阻抗和片内校准功能,可以帮助降低外部电阻导致的误差。
参考资料
1 Eamonn J. Byrne。美国专利第10,312,930号:ADC数字增益误差补偿。ADI公司,2019年6月。