数据采集系统自校准技术的原理及实现方法
１、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ａ／ｄ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。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ａ／ｄ转换的精度，而且硬件简单，因此适用范围很广。
２、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、ａ／ｄ转换器以及ｍｃｕ组成，如图１所示。该系统的自校准精度主要取决于信号放大器和ａ／ｄ转换器。
２．１ 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ｔｉ公司的自校准信号放大器ｔｌｃ４５０２为例进行说明。ｔｌｃ４５０２内有两个自校准运放通道，其通道的原理图如图２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准过程。首先激活ｒｃ振荡器以提供逐次逼近算法的时钟信号，同时断开ｋ１、ｋ４，并接通ｋ２、ｋ３。此时，运算放大器输入端短路，输出为失调电压，该电压经ｋ３到片内并通过ａ／ｄ转换器转换后，存入寄存器ｓａｒ内，然后再通过片内ｄ／ａ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ｋ２和ｋ３，并接通ｋ１和ｋ４，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ｓａｒ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ｒｃ振荡器。整个校准过程约 ３００ｍｓ。当ｔｌｃ４５０２应用在长期不间断信号采集的场合时，可通过ｃｐｕ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。
２．２ ａ／ｄ的自校准原理
下面以两通道ａ／ｄ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３）：
（１） ａ／ｄ调零：ａ／ｄ转换器的两个输入端短接后接到参考电压负端。
（２） ａ／ｄ增益校准：ａ／ｄ转换器的两个输入端分别接至参考电压的正负端。
（３） 通道１（或２）调零校准：ａ／ｄ转换器的两个输入端短接后接输入信号的负端。
（４） 通道１（或２）正常进行ａ／ｄ转换：ａ／ｄ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。对于普通的ａ／ｄ转换器件，要完成自校准过程需要扩展外围电路，图３中的ｓ１、ｓ２、ｓ３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ａ／ｄ转换器无疑将更方便、更简洁。美国ｍａｘｉｍ公司的ｍａｘ１１０／１１１就是采用了内部自动校准技术的ａ／ｄ转换器件。下面就对ｍａｘ１１１的使用进行介绍。
ｍａｘ１１１片内有２个模拟量输入通道，ａ／ｄ转换的分辨率可达到１４位二进制数 ？并可用命令字设定为１４位、１３位或１２位。该芯片的自校准功能是通过 ３个校准命令字分别对片内ａ／ｄ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２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。ｍａｘ１１１的命令字字长为１６位 ？由ｃｐｕ按ｓｐｉ或ｑｓｐｉ串行通信协议传送给ｍａｘ１１１芯片，命令字格式见表１。表１中，ｃｏｎｖ４、ｃｏｎｖ３、ｃｏｎｖ２ 、ｃｏｎｖ１为转换时间控制位；ｄｖ４、ｄｖ２用于设定对时钟信号的分频数，以把时钟频率分频为超采样频率；ｐｄｘ＝１时，关闭ｒｃ振荡器；ｐｄ＝１时，关闭模拟电路部分电源，芯片处于省电模式。ｎｏ－ｏｐ、ｃｈｓ、ｃａｌ、ｎｕｌ四位用于校准和ａ／ｄ转换， 这四位逻辑电平与ｍａｘ１１１内部操作的对应关系如表２所列。
ｍａｘ１１１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：ｄ１５～ｄ０＝１０００，０００ｘ，ｘ００ｘ，１１００，即ｃａｌ＝１，ｎｕｌ＝１，通过把内部ａｄｃ输入端短接至ｒｅｆ－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，ｄ１２～ｄ９可重新选择。
第二步：ｄ１５～ｄ０＝１０００？０００ｘ？ｘ００ｘ？１０００，即ｃａｌ＝１，ｎｕｌ＝０，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：ｄ１５～ｄ０＝１０００，０００ｘ，ｘｘ００，ｘ１００，即ｃａｌ＝０，ｎｕｌ＝１，把内部ａｄｃ输入按照选择通道完成一次零偏置变换。
３、应用电路举例
根据前面的介绍和分析，笔者以５１单片机作为ｃｐｕ，利用ｔｌｃ４５０２和ｍａｘ１１１设计出一个可自校准的数据采集系统。其原理图如图４所示。
４、结束语
采用自校准技术的数据采集系统能够很好地克服由温漂、时漂引起的误差，从而大大提高数据采集的精度，因此，该方法特别适合需要实时数据采集的应用场合。
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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准过程。首先激活ｒｃ振荡器以提供逐次逼近算法的时钟信号，同时断开ｋ１、ｋ４，并接通ｋ２、ｋ３。此时，运算放大器输入端短路，输出为失调电压，该电压经ｋ３到片内并通过ａ／ｄ转换器转换后，存入寄存器ｓａｒ内，然后再通过片内ｄ／ａ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ｋ２和ｋ３，并接通ｋ１和ｋ４，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ｓａｒ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ｒｃ振荡器。整个校准过程约 ３００ｍｓ。当ｔｌｃ４５０２应用在长期不间断信号采集的场合时，可通过ｃｐｕ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。
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