基于TLC4502和MAX111的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自校準技術

1、基于TLC4502和MAX111的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自校準技術     摘要：介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的自校準技術，并以TLC4502和MAX111為例介紹了自校準功能模塊中運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理及使用方法，最后給出了相應的應用實例。     關鍵詞：自校準技術；A/D轉(zhuǎn)換；TLC4502；MAX111 引言零點溫度漂移和時間漂移往往會對微弱信號的放大及轉(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源、匹配電阻以及低漂移運算放大器，但這樣同時也會使產(chǎn)品成本升高，且線路復雜，功耗高。

2、本文討論的自校準技術能很好地解決時漂和溫漂問題，并進一步提高轉(zhuǎn)換的精度，而且硬件簡單，因此適用范圍很廣。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一般組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由模擬信號輸入、信號放大器、轉(zhuǎn)換器以及組成，如圖所示。該系統(tǒng)的自校準精度主要取決于信號放大器和轉(zhuǎn)換器。 校準信號放大器信號放大器的放大倍數(shù)準確與否以及時漂、溫漂等問題都會嚴重影響數(shù)據(jù)采集的精度，因而對信號放大器進行校準是十分必要的?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些帶自校準功能的信號放大器。選用這些器件無疑會大大簡化系統(tǒng)設計。下面以美國公司的自校準信號放大器為例進行說明。內(nèi)有兩個自校準運放通道，其通道的原理圖如圖所示。通電后，上電復位電路開始工作，通過控制邏輯電路啟動自校

3、準過程。首先激活振蕩器以提供逐次逼近算法的時鐘信號,同時斷開、，并接通、。此時,運算放大器輸入端短路,輸出為失調(diào)電壓,該電壓經(jīng)到片內(nèi)并通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后,存入寄存器內(nèi),然后再通過片內(nèi)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送到運算放大器內(nèi)進行失調(diào)對消。經(jīng)過若干個時鐘周期后,失調(diào)電壓逐次逼近零點,此時控制邏輯電路自動斷開和，并接通和，校準過程即告結束。經(jīng)校準后，運算放大器的失調(diào)電壓的誤差為零，因此，就可以像一般的運算放大器一樣使用了。只要不斷電,校準后的失調(diào)調(diào)零信息就可一直保存在逐次逼近寄存器中。為了進一步降低功耗及防止寬帶噪聲引起的干擾,校準完成后，放大器芯片會自動關閉片內(nèi)振蕩器。整個校準過程約 。當應用在長期不間斷信號采

4、集的場合時,可通過來控制其定期切斷，然后再接通運算放大器電源進行自校準,這樣可消除時間漂移引起的誤差。    的自校準原理下面以兩通道轉(zhuǎn)換器件為例來對自校準過程進行說明。自校準過程可分為四步（見圖）：() 調(diào)零：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端短接后接到參考電壓負端。() 增益校準：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端分別接至參考電壓的正負端。() 通道（或）調(diào)零校準：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端短接后接輸入信號的負端。() 通道（或）正常進行轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換器的兩個輸入端分別接至輸入信號的正負端。    其實前三步是完成自校準過程，最后一步是由自校準過程轉(zhuǎn)到正常工作狀態(tài)。對于普通

5、的轉(zhuǎn)換器件，要完成自校準過程需要擴展外圍電路，圖中的、的功能可以由模擬開關來實現(xiàn)。不過，采用帶自校準功能模塊的轉(zhuǎn)換器無疑將更方便、更簡潔。美國公司的就是采用了內(nèi)部自動校準技術的轉(zhuǎn)換器件。下面就對的使用進行介紹。片內(nèi)有個模擬量輸入通道，轉(zhuǎn)換的分辨率可達到位二進制數(shù) 并可用命令字設定為位、位或位。該芯片的自校準功能是通過 個校準命令字分別對片內(nèi)轉(zhuǎn)換器進行調(diào)零校準、對通道增益參照基準電壓進行校準、對個模擬通道調(diào)零校準來實現(xiàn)的，通過這三方面的校準可消除由時漂和溫漂引起的誤差，因而可以達到很高的精度。的命令字字長為位 由按或串行通信協(xié)議傳送給芯片，命令字格式見表。表中，、 、為轉(zhuǎn)換時間控制位；、用于設定

6、對時鐘信號的分頻數(shù)，以把時鐘頻率分頻為超采樣頻率；時，關閉振蕩器；時,關閉模擬電路部分電源，芯片處于省電模式。、四位用于校準和轉(zhuǎn)換, 這四位邏輯電平與內(nèi)部操作的對應關系如表所列。表1 MAX111的命令字格式15141312111098NO-OPNUNUCONV4CONV3CONV2CONV1DV476543210DV2NUNUCHSCALNULPDXPD表2 控制字與內(nèi)部功能的對應關系表CALNULCHSNO-OPMAX111內(nèi)部操作0001選擇通道1作為A/D轉(zhuǎn)換輸入(見圖3d)0011選擇通道2作為A/D轉(zhuǎn)換輸入(見圖3d)0101通道1調(diào)零校準(見圖3c)0111通道2調(diào)零校準(見圖3c)111A/D調(diào)零(見圖3a)101A/D增益校準(見圖3b)0禁止A/D轉(zhuǎn)換的自校準過程要經(jīng)過三步，其方法是向控制寄存器送控制字。第一步：，即，通過把內(nèi)部輸入端短接至可完成一次偏置校正變換將其變換結果存入零寄存器之后，可重新選擇。第二步：，即，把零寄存器的內(nèi)部作為起始值可完成一次增益校準變換，其結果存入校準寄存器。第三步：，即，把內(nèi)部輸入按照選擇通道完成一次零偏置變換。 應用電路舉例根據(jù)前面的介紹和分析，筆者以單片機作為