AVR120 AVR的ADC校正和说明.docVIP

AVR120：AVR 的 ADC 校正和说明 2006年10月20日 shaoziyang@ 特点： 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 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。 理论 在进入讨论前，先介绍一些中心概念。下面小节（一般ADC的概念）可以忽略如果读者已经熟悉了量化、分辨率和ADC转化。 一般ADC的概念 ADC转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 为了定义一个的ADC，vcc之间。 使用单端模式，相对于GND的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输入电路 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。 单端转换范围 单端转换输入通道直接连到转换电路，如图3A所示。AVR的10位ADC将从GND到VREF的连续输入信号转换为从0到1023的离散输出信号。 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GND到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ADC时是511）。 注意某些型号的器件不能测量负的差分电压，如ATiny26。 校正 ADC实际的总误差不只是量化误差，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20LSB。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。 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，包括了量化误差、偏置误差、增益误差和非线性误差。偏置、增益和非线性在后面说明。 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的范围，需要考虑最大和最小输入范围，避免被绝对误差截短。 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，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） 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。 偏置误差 – 单端通道 为了测量偏置误差，从GND开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1LSB。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，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（A）和负偏置（B）误差 测量过程如图6。 图6. 单端偏置误差测量过程 为了补偿单端模式下的偏置误差，可以从每个测量