图10显示在经过后端校准后，理论增益误差与R_FILTER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R_FILTER导致的增益误差。但是，如果在最坏情况下，控制器假设R_IN = 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R_FILTER = 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R_IN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R_FILTER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(R_IN)，所以它始终比后端校准更精准，与实际的R_IN和R_FILTER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R_FILTER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R_FILTER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R_FILTER和R_IN影响（在计算校准系数(K)时会使用这两个值），不假设R_IN等于其典型值，而是使用内部实际测量得出的R_IN值。如果与图10相比，以R_FILTER = 30 kΩ为例，这意味着误差降低高达10倍。这个误差与R_FILTER完全无关，R_FILTER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R_FILTER误差也会影响校准精度。但是，请大家注意三点：

►               R_FILTER比R_IN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R_FILTER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R_FILTER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R_FILTER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.R_FILTER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(R_IN)高达5倍时，R_FILTER电阻对系统增益误差的影响会降低大约5。例如，AD7606 (R_IN = 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 (R_IN = 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R_FILTER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R_FILTER呈函数关系

(b) 片内校准图上的特写

总之，外部前端电阻(R_FILTER)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(R_IN)，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R_FILTER呈线性变化，表2显示在3个给定的R_FILTER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R_FILTER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R_FILTER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R_FILTER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(R_IN = 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(R_IN)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(R_IN)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R_FILTER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R_FILTER和实际R_IN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。