AVR120AVR的ADC校正和说明

1、AVR120: AVR的ADC校正和说明翻译：邵子扬AVR120 : AVR的ADC校正和说明翻译：邵子扬 2006年10月20日 shaoziyang理解模拟到数字转换（ADC的特点测量参数说明ADC特点温度、频率和电压的依赖性偏移量和增益误差补偿1介绍这篇应用笔记解释了各种 ADC（模拟到数字转换）的特性以及它们怎样影响测量。同时说明 了怎样在产品测试中测量这些参数，以及怎样在运行时补偿测量误差。AVR单片机的Flash存储器的一个很大的优点在于校正代码可以用程序替换，这样校正代码不会在最终产品中占用空间。2理论在进入讨论前，先介绍一些中心概念。下面小节（一般ADC勺概念）可以忽略如果读者

2、已经熟悉了量化、分辨率和 ADC专化。2.1 一般ADC的概念ADC专变一个模拟输入信号为数字输出参数，表示出输入信号和参考信号的相对大小。为了更好的说明ADC这篇应用笔记区别说明完美、理论和实际的ADC一个完美的ADC只是一个理论概念， 在实际中并不存在。 它有无限分辨率，每个输入在指定 范围输出一个唯一的值。理想的ADC是一个线性转换函数，如图 1。图1.完美的ADC输出参数？模拟输入模拟输入为了定义一个理论的 ADC必须介绍量化的概念。由于将 ADC数字化，不可能连续的输出数 值，输出范围分为一定的台阶，每个都是一个可能的输出值。这意味着一个输出值不是只对应一个唯一输入，而是一个小范围的

3、输入值。结果就是一个阶梯转换函数，分辨率是不同输 出的个数。例如，ADC俞出为8个台阶，即分辨率是 8,或者说3位。转换函数如图2所示, 理论ADC等于完美的ADC在每一级台阶的中间点。 这说明理论ADC本质上是输入参数对应的 最接近的台阶输出参数。图2,理论上的3位ADC专换函数第12页共11页对于一个理论上的 3位ADC最大误差是土 1/2台阶，也就是说最大的量化误差总是1/2 LSB,LSB是输入电压对应输出参数最小数据位。实际的ADC还存在其他误差，这将在后面说明。2.2转换范围Atmel的AVR单片机可以配置为单端输入或者差分输入。单端输入用于测量单个通道的输入电压，差分模式用于测量

4、两个不同通道之间的差。不论哪种模式，每个通道的输入电压范围都要在GNEgiJ Avcc之间。使用单端模式，相对于GND勺输入电压被转换为数值信号。使用差分模式，从差分运放的输出（可选增益）转化为数字量（可能是负数）。一个简化的图例如图 3:图3.简化的ADC俞入电路输入信号单端转换模式转换电路（A）差分转换模式正相输入反相输入转换电路（BJ为了决定转换范围，转换电路需要一个参考电压（Vref）,用于代表最大输出值。根据数据手册，对于标准芯片 Vref至少是2V,对于工作电压是 1.8V的芯片参考电压允许低至1V,对于单端输入和差分输入都是一样。2.2.1单端转换范围单端转换输入通道直接连到转换

5、电路，如图3A所示。AVR的10位ADC务从GNtliJ Vref的连续输入信号转换为从 0到1023的离散输出信号。2.2.2差分转换范围差分转换连接两个输入通道到可变增益差分放大器，放大器的输出反馈到转换电路，如图 3B。差分电压从-Vref到+Vref，转换结果从-512到+511。XX即使测量负的差分电压，每个 通道的输入电压范围还是在GNEgiJ AVcc之间。小于-Vref的差分电压将得到最小值（在 10位ADC时是-512 ），大于Vref的差分电压将得到 最大值（在10位ADCM是511）。注意某些型号的器件不能测量负的差分电压，如 ATiny26。2.3校正ADg际的总误差不

6、只是量化误差，这篇文档说明了偏置和增益误差，以及如何进行补偿。 同时介绍了两种测量非线性度的方法，微分法和积分法。对于大多数应用，在使用单端模式时ADC无需校正。典型精度是1-2LSB,既不需要也难以通过校正获得更高的精度。但是，使用差分模式时情况就不同了，特别在高增益时，微小的变化通过放大器就变成了很大的误差，未补偿的误差通常大于20LSBL这些误差需要用软件针对每个器件进行补偿。初看起来20LSB是一个很大的参数，但是这并不代表差分模式就没有用处了，经过简单的校正算法，误差就可以控制在 1-2LSB之内。2.4绝对误差绝对误差是理想直线和实际曲线，包括量化误差的最大差值。因为量化误差，最小

7、绝对误差是？ LSB绝对误差或者叫绝对精度是未补偿误差的总和, 线性误差。偏置、增益和非线性在后面说明。包括了量化误差、偏置误差、增益误差和非绝对误差可以通过使用斜坡输入电压测量，在这种情况下所有的输出参数都和输入电压做比较，最大差值给出了绝对误差。注意绝对误差不能直接补偿，除非使用占用很大内存的查表或多项式逼近。但是绝对误差最重要的贡献是可以补偿偏置和增益误差。绝对误差会缩小 ADC勺范围，需要考虑最大和最小输入范围，避免被绝对误差截短。2.5偏置误差偏置误差定义为在 0输入时，实际ADC转换函数和理想直线的差。当输入参数是？ LSB时输出没有产生从0变到1,我们就称之为偏置误差。对于正偏置

8、，当输 入从下往上逼近？ LSB时输出值大于0;对于负偏置第一次输出变化时输入大于 ？ LSB换句 话说，如果实际的转换结果低于理想直线，就是负偏置。偏置示意图如图4。图4.正偏置(A)和负偏置(B)(A)因为单端转换只产生正数结果，所以单端和差分的偏置测量过程是不同的O2.5.1偏置误差-单端通道为了测量偏置误差，从GNEM始增加输入电压直到输出产生第一个转换结果变化。计算输入电压差，这个差值转换到LSB,就等于偏置误差。在图5A,第一次转变发生在 1LS&转变从2到3,等效输入电压是 2? LSB。差值是+1? LSB, 这就是偏置误差，双箭头指示出差值。在图5B中显示了同样的过程

9、，第一次转变发生在2LSB, 从0到1时，等效输入电压为？ LSB,偏置误差也就是差值为 -1 ? LSB图5.单端模式下的正偏置（3和负偏置（B）误差模拟输入测量过程如图6。图6.单端偏置误差测量过程保存输入电压为实际电压计算输出从A变到 B 需要的理论电压偏置误差等于（理论-实际）换算为LSB为了补偿单端模式下的偏置误差， 可以从每个测量结果中减去偏置误差。 注意到偏置误差会 影响ADC的范围，一个大的正偏置误差使输出值在输入达到最大值前就已经饱和， 而大的负 偏置误差使输出值变为 0在输入变为最小值前。2.5.2偏置误差-差分通道使用差分通道，测量偏置误差变得更容易，因为不需要外部输入电

10、压。两个差分输入端可以 连接到同一内部电压上，输出就是偏置误差。因为这种方法无法确定何时发生第一次转换， 所以给出误差是？ LSB到1LSB（最差情况）。为了补偿差分模式下的偏置误差，同样是从每次测量结果中减去偏置误差。2.6增益误差增益误差的定义是在补偿了偏置误差后，最后输出中点和理想直线的偏离。在补偿了偏置误差后，输入电压是0时输出结果通常也是 0,但是增益误差将导致实际的转换函数斜率偏离 理想直线的斜率。这个增益误差可以通过将输出值比例化来测量和补偿。实时补偿通常使用整数算法， 因为浮点数计算起来要花费较长的时间。为了获得最高的精度,斜率偏离的测量要尽量远离 0点。参数越大，精度越高。这

11、将在后面详细论述。图7显示了一个3位ADC的增益误差，下面的说明同时包括了单端模式和差分模式。输出值八1111111011011100011010001000111模拟输入（A）输出值个模拟输入图7.正（A）和负（B）增益误差例子 为了测量增益误差，输入从0开始直到达到最后的输出。增益补偿的比例系数等于理想输出 值和最后输出值中点除以实际步数。如图7A,输出值在达到最大之前就已经饱和，垂直箭头显示了最后输出的中点。在这个电压下理想输出值是 5.5，比例系数等于5.5除以7。在图7B,输入电压达到最大时输出值只有6,这对于实际值是负偏差。在这个情况下理想的输出值是7.5，比例系数等于 7.5除以

12、6。测量过程如图 8。设置输入到0增加输入直到达到最大输由找出基于前级长度 的最后级巾点2.7非线性当补偿了偏置误差和增益误差后，实际的转换函数应当等于理论 ADC的转换函数。但是由于存在着非线性，时间的曲线和理论曲线还是有微小的差别。有两个办法可以用来测量非线性，它们将在后面说明，图 9显示了两种测量方法。111110 -101 -100 -011 -010 -001 -0/0 1/8 2/84)868 78AREF输出值k模拟输入模拟输入（A）图9.非线性曲线例子2.7.1差分非线性差分非线性（DND定义为在实际台阶宽度和理论宽度（1LSB）之间最大和最小差异。非线性产生变化宽度的量化台阶

13、：所有台阶应当都是1LSB宽，但是有的宽有的窄。为了测量DNL输入一个斜坡电压并记录下所有的转换值。步长由转换间的距离而定，来自 1LSB的最大正偏离和负偏离用来报告最大和最小的DNL2.7.2 整体非线性整体非线性（INL）定义为实际曲线和理论曲线之间最大垂直差。INL可以被解释为所有 DNL的总和。例如，一些连续的负DNL使得实际曲线高于理论曲线，如图9A。负的INL说明实际曲线低于理论曲线。最大和最小INL使用同样的斜坡输入电压测量，记录下每个台阶中点的偏离，其中最大的正偏离和负偏离就是最大和最小的INL o2.7.3测量和补偿在补偿了偏置误差和增益误差之后再测量DNL和INL误差很重要

14、。否则，偏置误差和增益误差会影响测量结果，就不能得到真实的DNL和INL。非线性误差不能通过简单的计算来补偿，可以用多项式逼近或查表法补偿。不过AVR的10位ADC的DNL和INL的典型值是？ LSB,足以满足一般的实际应用了。2.8温度、频率和电压影响使用ADC的内部电压参考源时， 必须考虑它的精度。 内部电压参考源和能隙电压成正比，它的特性在数据手册中说明了。特性显示能隙电压轻微的受到供电电压和温度影响。ADC勺精度也受到ADC寸钟的影响。推荐最大的 ADCM钟频率受内部DAC转换电路的限制， 为了优化性能，ADC时钟不要超过200KH乙但是即使频率达到 1MHz也不会显著降低ADC的 分

15、辨率的。不要用高于1MHz的频率来操作ADC2.9带宽和输入阻抗使用单端模式时，ADC的带宽受ADC的时钟速度限制。因为 1次转换需要13个ADC时钟周 期，所以最大时钟 1MHz的ADC时钟意味着大约每秒 77K的采样速度。按照 Nyquist采样定 律单端模式的带宽是 38.5KHz。使用差分模式时，因为差分放大器带宽被限制在4KH乙大于4KHz的信号需要通过外部的滤波器过滤掉，避免非线性。对于Vcc和GND勺输入阻抗典型是 100曜。与之对应的是信号源输出阻抗，它会产生一个 分压。信号源的输出阻抗要足够低才能获得正确的转换结果。3执行图10显示了一个ADC校正的例子。校正测试装置高精度D

16、ACSbit ADCEEPRCM产品测试 控制AVRL -aK" K"*b "Mv _"M "Mv w"M卷数'校正 最终应用在产品测试中，每个设备的 ADCE要使用一个类似的测试装置。 AVR使用高精度DAC（如16 位分辨率）产生校正需要的输入电压。校正完成后，偏置和增益补偿参数编程到 EEPROMK注意这里需要编程 EESAV酷丝，这样在编程Flash存储器是不会擦除 EEPRO伪容的。否则就需要暂存ADC#数。3.1偏置和增益误差补偿的定点算法浮点数运算对于 ADC勺比例化计算缺乏效率。增益补偿的比例系数一般接近1,需

17、要一个比较合适的精度进行 ADC数补偿，这可以使用通过整数进行计算的定点数。因为增益补偿系数肯定不会超过2,如果乘以214也不会超过一个有符号的16位字。换句话说，比例系数可以用两字节1:14的有符号定点数表示。偏置误差和增益误差补偿的公式如公式1。公式1.实际参数=(ADC# 数偏置）*增益系数计算结果取整后，结果是小于或等于计算结果的最大整数。为了保证结果是最接近的整数，在取整前需要加上 0.5 （译者注：即四舍五入）。加上0.5，乘以比例214并减去偏置就得到 了公式2。公式2.214*实际参数=214* ADC参数*增益系数+ 2 14 * 0.5 - 214 *偏置*增益系数因为增益

18、系数和偏置修正是常数，可以进一步进行优化。如果等式两边乘以22得到216,高2字节等于取整后的结果，这样不用右移 16位。我们引入一些常数，并在公式3中总结。公式3.系数=2 14*增益系数修正=2 14 * （0.5-偏置*增益系数）216*实际结果=2 2* （ADC#数*系数+修正）使用这个方法，校正软件计算常数 系数和修正，并存储它们到 EEPROMK运行中，只需要 对ADC#数进行一次乘法，一次加法和左移两位。使用IAR C编译器以及最高速度优化，只需要42个CPU周期。3.1.1 校准测试工装设计超出了这篇笔记的范围。下面只给出了AVR校准流程图，它使用了外部 DAC无需使用多个ADC通道，只使用一个开关切换单端和