基于TLC4502和MAX111的数据采集系统自校准技术

1、基于TLC4502和MAX111的数据采集系统自校准技术     摘要：介绍了数据采集系统中的自校准技术，并以TLC4502和MAX111为例介绍了自校准功能模块中运算放大器和A/D转换器的工作原理及使用方法，最后给出了相应的应用实例。     关键词：自校准技术；A/D转换；TLC4502；MAX111 引言零点温度漂移和时间漂移往往会对微弱信号的放大及转换过程产生重要影响，从而引起数据采集精度的降低。因此，为了提高精度，多采用高精度的基准源、匹配电阻以及低漂移运算放大器，但这样同时也会使产品成本升高，且线路复杂，功耗高。

2、本文讨论的自校准技术能很好地解决时漂和温漂问题，并进一步提高转换的精度，而且硬件简单，因此适用范围很广。 数据采集系统的一般组成数据采集系统一般由模拟信号输入、信号放大器、转换器以及组成，如图所示。该系统的自校准精度主要取决于信号放大器和转换器。 校准信号放大器信号放大器的放大倍数准确与否以及时漂、温漂等问题都会严重影响数据采集的精度，因而对信号放大器进行校准是十分必要的。现在已经有一些带自校准功能的信号放大器。选用这些器件无疑会大大简化系统设计。下面以美国公司的自校准信号放大器为例进行说明。内有两个自校准运放通道，其通道的原理图如图所示。通电后，上电复位电路开始工作，通过控制逻辑电路启动自校

3、准过程。首先激活振荡器以提供逐次逼近算法的时钟信号,同时断开、，并接通、。此时,运算放大器输入端短路,输出为失调电压,该电压经到片内并通过转换器转换后,存入寄存器内,然后再通过片内转换器转换后送到运算放大器内进行失调对消。经过若干个时钟周期后,失调电压逐次逼近零点,此时控制逻辑电路自动断开和，并接通和，校准过程即告结束。经校准后，运算放大器的失调电压的误差为零，因此，就可以像一般的运算放大器一样使用了。只要不断电,校准后的失调调零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器中。为了进一步降低功耗及防止宽带噪声引起的干扰,校准完成后，放大器芯片会自动关闭片内振荡器。整个校准过程约 。当应用在长期不间断信号采

4、集的场合时,可通过来控制其定期切断，然后再接通运算放大器电源进行自校准,这样可消除时间漂移引起的误差。    的自校准原理下面以两通道转换器件为例来对自校准过程进行说明。自校准过程可分为四步（见图）：() 调零：转换器的两个输入端短接后接到参考电压负端。() 增益校准：转换器的两个输入端分别接至参考电压的正负端。() 通道（或）调零校准：转换器的两个输入端短接后接输入信号的负端。() 通道（或）正常进行转换：转换器的两个输入端分别接至输入信号的正负端。    其实前三步是完成自校准过程，最后一步是由自校准过程转到正常工作状态。对于普通

5、的转换器件，要完成自校准过程需要扩展外围电路，图中的、的功能可以由模拟开关来实现。不过，采用带自校准功能模块的转换器无疑将更方便、更简洁。美国公司的就是采用了内部自动校准技术的转换器件。下面就对的使用进行介绍。片内有个模拟量输入通道，转换的分辨率可达到位二进制数 并可用命令字设定为位、位或位。该芯片的自校准功能是通过 个校准命令字分别对片内转换器进行调零校准、对通道增益参照基准电压进行校准、对个模拟通道调零校准来实现的，通过这三方面的校准可消除由时漂和温漂引起的误差，因而可以达到很高的精度。的命令字字长为位 由按或串行通信协议传送给芯片，命令字格式见表。表中，、 、为转换时间控制位；、用于设定

6、对时钟信号的分频数，以把时钟频率分频为超采样频率；时，关闭振荡器；时,关闭模拟电路部分电源，芯片处于省电模式。、四位用于校准和转换, 这四位逻辑电平与内部操作的对应关系如表所列。表1 MAX111的命令字格式15141312111098NO-OPNUNUCONV4CONV3CONV2CONV1DV476543210DV2NUNUCHSCALNULPDXPD表2 控制字与内部功能的对应关系表CALNULCHSNO-OPMAX111内部操作0001选择通道1作为A/D转换输入(见图3d)0011选择通道2作为A/D转换输入(见图3d)0101通道1调零校准(见图3c)0111通道2调零校准(见图3c)111A/D调零(见图3a)101A/D增益校准(见图3b)0禁止A/D转换的自校准过程要经过三步，其方法是向控制寄存器送控制字。第一步：，即，通过把内部输入端短接至可完成一次偏置校正变换将其变换结果存入零寄存器之后，可重新选择。第二步：，即，把零寄存器的内部作为起始值可完成一次增益校准变换，其结果存入校准寄存器。第三步：，即，把内部输入按照选择通道完成一次零偏置变换。 应用电路举例根据前面的介绍和分析，笔者以单片机作为