基于TLC4502和MAX111的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自校準(zhǔn)技術(shù)
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關(guān)鍵詞：自校準(zhǔn)技術(shù)；A/D轉(zhuǎn)換；TLC4502；MAX111
１ 引言
零點(diǎn)溫度漂移和時(shí)間漂移往往會(huì)對(duì)微弱信號(hào)的放大及Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生重要影響，從而引起數(shù)據(jù)采集精度的降低。因此，為了提高精度，多采用高精度的基準(zhǔn)源、匹配電阻以及低漂移運(yùn)算放大器，但這樣同時(shí)也會(huì)使產(chǎn)品成本升高，且線路復(fù)雜，功耗高。本文討論的自校準(zhǔn)技術(shù)能很好地解決時(shí)漂和溫漂問題，并進(jìn)一步提高Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的精度，而且硬件簡(jiǎn)單，因此適用范圍很廣。
２ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由模擬信號(hào)輸入、信號(hào)放大器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器以及ＭＣＵ組成，如圖１所示。該系統(tǒng)的自校準(zhǔn)精度主要取決于信號(hào)放大器和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。
２．１ 校準(zhǔn)信號(hào)放大器
信號(hào)放大器的放大倍數(shù)準(zhǔn)確與否以及時(shí)漂、溫漂等問題都會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)采集的精度，因而對(duì)信號(hào)放大器進(jìn)行校準(zhǔn)是十分必要的?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些帶自校準(zhǔn)功能的信號(hào)放大器。選用這些器件無疑會(huì)大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下面以美國(guó)ＴＩ公司的自校準(zhǔn)信號(hào)放大器ＴＬＣ４５０２為例進(jìn)行說明。ＴＬＣ４５０２內(nèi)有兩個(gè)自校準(zhǔn)運(yùn)放通道，其通道的原理圖如圖２所示。
通電后，上電復(fù)位電路開始工作，通過控制邏輯電路啟動(dòng)自校準(zhǔn)過程。首先激活ＲＣ振蕩器以提供逐次逼近算法的時(shí)鐘信號(hào),同時(shí)斷開Ｋ１、Ｋ４，并接通Ｋ２、Ｋ３。此時(shí),運(yùn)算放大器輸入端短路,輸出為失調(diào)電壓,該電壓經(jīng)Ｋ３到片內(nèi)并通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后,存入寄存器ＳＡＲ內(nèi),然后再通過片內(nèi)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送到運(yùn)算放大器內(nèi)進(jìn)行失調(diào)對(duì)消。經(jīng)過若干個(gè)時(shí)鐘周期后,失調(diào)電壓逐次逼近零點(diǎn),此時(shí)控制邏輯電路自動(dòng)斷開Ｋ２和Ｋ３，并接通Ｋ１和Ｋ４，校準(zhǔn)過程即告結(jié)束。經(jīng)校準(zhǔn)后，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓的誤差為零，因此，就可以像一般的運(yùn)算放大器一樣使用了。
只要不斷電,校準(zhǔn)后的失調(diào)調(diào)零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器ＳＡＲ中。為了進(jìn)一步降低功耗及防止寬帶噪聲引起的干擾,校準(zhǔn)完成后，放大器芯片會(huì)自動(dòng)關(guān)閉片內(nèi)ＲＣ振蕩器。整個(gè)校準(zhǔn)過程約 ３００ｍｓ。當(dāng)ＴＬＣ４５０２應(yīng)用在長(zhǎng)期不間斷信號(hào)采集的場(chǎng)合時(shí),可通過ＣＰＵ來控制其定期切斷，然后再接通運(yùn)算放大器電源進(jìn)行自校準(zhǔn),這樣可消除時(shí)間漂移引起的誤差。
２．２ Ａ／Ｄ的自校準(zhǔn)原理
下面以兩通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器件為例來對(duì)自校準(zhǔn)過程進(jìn)行說明。自校準(zhǔn)過程可分為四步（見圖３）：
(１) Ａ／Ｄ調(diào)零：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端短接后接到參考電壓負(fù)端。
(２) Ａ／Ｄ增益校準(zhǔn)：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端分別接至參考電壓的正負(fù)端。
(３) 通道１（或２）調(diào)零校準(zhǔn)：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端短接后接輸入信號(hào)的負(fù)端。
(４) 通道１（或２）正常進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換：Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)輸入端分別接至輸入信號(hào)的正負(fù)端。
其實(shí)前三步是完成自校準(zhǔn)過程，最后一步是由自校準(zhǔn)過程轉(zhuǎn)到正常工作狀態(tài)。對(duì)于普通的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器件，要完成自校準(zhǔn)過程需要擴(kuò)展外圍電路，圖３中的Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３的功能可以由模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。不過，采用帶自校準(zhǔn)功能模塊的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器無疑將更方便、更簡(jiǎn)潔。美國(guó)ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ１１０／１１１就是采用了內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器件。下面就對(duì)ＭＡＸ１１１的使用進(jìn)行介紹。
ＭＡＸ１１１片內(nèi)有２個(gè)模擬量輸入通道，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的分辨率可達(dá)到１４位二進(jìn)制數(shù) ?并可用命令字設(shè)定為１４位、１３位或１２位。該芯片的自校準(zhǔn)功能是通過 ３個(gè)校準(zhǔn)命令字分別對(duì)片內(nèi)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)、對(duì)通道增益參照基準(zhǔn)電壓進(jìn)行校準(zhǔn)、對(duì)２個(gè)模擬通道調(diào)零校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的，通過這三方面的校準(zhǔn)可消除由時(shí)漂和溫漂引起的誤差，因而可以達(dá)到很高的精度。
ＭＡＸ１１１的命令字字長(zhǎng)為１６位 ?由ＣＰＵ按ＳＰＩ或ＱＳＰＩ串行通信協(xié)議傳送給ＭＡＸ１１１芯片，命令字格式見表１。表１中，ＣＯＮＶ４、ＣＯＮＶ３、ＣＯＮＶ２ 、ＣＯＮＶ１為轉(zhuǎn)換時(shí)間控制位；ＤＶ４、ＤＶ２用于設(shè)定對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的分頻數(shù)，以把時(shí)鐘頻率分頻為超采樣頻率；ＰＤＸ＝１時(shí)，關(guān)閉ＲＣ振蕩器；ＰＤ＝１時(shí),關(guān)閉模擬電路部分電源，芯片處于省電模式。ＮＯ－ＯＰ、ＣＨＳ、ＣＡＬ、ＮＵＬ四位用于校準(zhǔn)和Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換, 這四位邏輯電平與ＭＡＸ１１１內(nèi)部操作的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表２所列。
表1 MAX111的命令字格式
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 |
| NO-OP | NU | NU | CONV4 | CONV3 | CONV2 | CONV1 | DV4 |
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| DV2 | NU | NU | CHS | CAL | NUL | PDX | PD |
表2 控制字與內(nèi)部功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系表
| CAL | NUL | CHS | NO-OP | MAX111內(nèi)部操作 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 選擇通道1作為A/D轉(zhuǎn)換輸入(見圖3d) |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 選擇通道2作為A/D轉(zhuǎn)換輸入(見圖3d) |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 通道1調(diào)零校準(zhǔn)(見圖3c) |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 通道2調(diào)零校準(zhǔn)(見圖3c) |
| 1 | 1 | 1 | A/D調(diào)零(見圖3a) | |
| 1 | 0 | 1 | A/D增益校準(zhǔn)(見圖3b) | |
| 0 | 禁止A/D轉(zhuǎn)換 |
ＭＡＸ１１１的自校準(zhǔn)過程要經(jīng)過三步，其方法是向控制寄存器送控制字。
第一步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００，０００Ｘ，Ｘ００Ｘ，１１００，即ＣＡＬ＝１，ＮＵＬ＝１，通過把內(nèi)部ＡＤＣ輸入端短接至ＲＥＦ－可完成一次偏置校正變換?將其變換結(jié)果存入零寄存器之后，Ｄ１２～Ｄ９可重新選擇。
第二步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００?０００Ｘ?Ｘ００Ｘ?１０００，即ＣＡＬ＝１，ＮＵＬ＝０，把零寄存器的內(nèi)部作為起始值可完成一次增益校準(zhǔn)變換，其結(jié)果存入校準(zhǔn)寄存器。
第三步：Ｄ１５～Ｄ０＝１０００，０００Ｘ，ＸＸ００，Ｘ１００，即ＣＡＬ＝０，ＮＵＬ＝１，把內(nèi)部ＡＤＣ輸入按照選擇通道完成一次零偏置變換。
３ 應(yīng)用電路舉例
根據(jù)前面的介紹和分析，筆者以５１單片機(jī)作為ＣＰＵ，利用ＴＬＣ４５０２和ＭＡＸ１１１設(shè)計(jì)出一個(gè)可自校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其原理圖如圖４所示。
４ 結(jié)束語
采用自校準(zhǔn)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠很好地克服由溫漂、時(shí)漂引起的誤差，從而大大提高數(shù)據(jù)采集的精度，因此，該方法特別適合需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場(chǎng)合。
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