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

時(shí)間:2024-07-24 06:58:40 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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基于TLC4502和MAX111的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自校準(zhǔn)技術(shù)

摘要:介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的自校準(zhǔn)技術(shù),并以TLC4502和MAX111為例介紹了自校準(zhǔn)功能模塊中運(yùn)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(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。

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。現(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)大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下面以美國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、更簡潔。美國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

15141312111098NO-OPNUNUCONV4CONV3CONV2CONV1DV476543210DV2NUNUCHSCALNULPDXPD

表2 控制字與內(nèi)部功能的對(duì)應(yīng)關(guān)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)00

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