楊衛(wèi)平 王靜 易冬柏

（珠海零邊界集成電路有限公司 廣東省珠海市 519070）

1 ADC誤差

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC也稱為A/D轉(zhuǎn)換器，用于將自然界中感知的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，廣泛應(yīng)用在各種儀器儀表和日常電器設(shè)備中。實(shí)際電路因制造工藝偏差，器件失配、環(huán)境干擾等因素，ADC轉(zhuǎn)換存在誤差[1]，失調(diào)誤差和增益誤差是ADC中最常見的兩種誤差：失調(diào)誤差是指ADC實(shí)際特性曲線和過原點(diǎn)的無限精度特性之間的水平差值；增益誤差是指ADC實(shí)際特性曲線和無限精度特性曲線之間的差值，可以認(rèn)為是無限精度曲線斜率向上增加1或向下減少1的變化量。

本文根據(jù)誤差的偏向?qū)DC分為負(fù)偏差型和正偏差型，將轉(zhuǎn)換結(jié)果相比理想值偏低稱為負(fù)偏差型，將轉(zhuǎn)換結(jié)果相比理想值偏高稱為正偏差型。ADC的精度是其最重要的指標(biāo)之一，決定了機(jī)器系統(tǒng)能否準(zhǔn)確的獲取到自然界信息，ADC轉(zhuǎn)換誤差直接影響其精度，因此誤差校正十分重要。

2 ADC誤差校正方法分析

2.1 傳統(tǒng)方法一

通過ADC采集0電壓和最高參考電壓兩點(diǎn)值來計(jì)算得到失調(diào)誤差和增益誤差，通過補(bǔ)償達(dá)到校正ADC失調(diào)誤差的目的。其中計(jì)算 ADC輸出結(jié)果和0的差值，即得到失調(diào)誤差值，用這個(gè)值去補(bǔ)償ADC的轉(zhuǎn)化結(jié)果作為最終輸出，達(dá)到失調(diào)校正的目的；計(jì)算輸入輸出特性曲線的斜率值去補(bǔ)償增益誤差導(dǎo)致的影響[2]。這種方法比較簡(jiǎn)單，但這種方法不能適用所有類型的ADC校正。比如當(dāng)ADC在0電壓附近的轉(zhuǎn)換結(jié)果偏低（負(fù)偏差型），就會(huì)出現(xiàn)0電壓附近的一段輸入電壓區(qū)域?qū)?yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果都為0，通過采集0電壓輸入將得不到失調(diào)誤差信息；若ADC在最高參考電壓附近的一段電壓區(qū)間提前滿幅輸出了（正偏差型），通過采集最高參考電壓將得不到準(zhǔn)確的斜率信息。

2.2 傳統(tǒng)方法二

對(duì)于一個(gè)輸入電壓信號(hào)Vin, N比特ADC的理想輸出（目標(biāo)輸出值）ADC_OUT計(jì)算公式如公式1所示。ADC采集輸入電壓Vin得到轉(zhuǎn)換實(shí)測(cè)值，通過計(jì)算該電壓轉(zhuǎn)換值與理想ADC輸出值之間的差來得到失調(diào)誤差，達(dá)到校正ADC失調(diào)誤差的目的。

但是對(duì)于參考源變化的應(yīng)用場(chǎng)合，參考源的不確定將導(dǎo)致理想輸出值不確定，從而得不到準(zhǔn)確的失調(diào)誤差信息。比如使用的外部參考源是電池供電，隨著充放電過程，參考源會(huì)變化；或者使用內(nèi)部參考源，因供電電壓或溫度等環(huán)境的影響，內(nèi)部參考源也會(huì)有變化。此時(shí)需要額外的電路測(cè)量準(zhǔn)確的參考電壓值VREF，或者需要復(fù)雜的可調(diào)節(jié)的參考電壓源電路來產(chǎn)生特定的校正電壓，因此該方法不夠簡(jiǎn)潔實(shí)用。

3 本文ADC誤差校正方法

3.1 原理分析

本文旨在提供一種簡(jiǎn)單高效的ADC失調(diào)誤差和增益誤差自動(dòng)校正方法。如附圖1所示，首先讓ADC進(jìn)入校正模式，在這個(gè)模式下通過參考比例產(chǎn)生電路11產(chǎn)生兩路與參考電壓VREF成特定比例的電壓V1和V2，V1=k1*VREF，V2=k2*VREF?？刂仆ǖ肋x擇電路12依次將V1和V2輸入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元13中，將 V1和V2電壓值轉(zhuǎn)換成原始數(shù)字輸出ADC_OUT1和ADC_OUT2，這兩個(gè)結(jié)果包含失調(diào)誤差Err_oあset和增益誤差Err_Gain，原始數(shù)字輸出和這兩個(gè)誤差參數(shù)的關(guān)系如下：

其中，電壓V1和V2對(duì)應(yīng)的理想ADC（無偏差）輸出值如下：

圖1：本文提出ADC誤差校正方法對(duì)應(yīng)電路結(jié)構(gòu)圖

圖2：一種參考比例產(chǎn)生電路的實(shí)現(xiàn)示例圖

圖3：ADC誤差校正前后效果對(duì)比圖

取k2>k1, V2>V1，便可得到ADC_OUT2> ADC_OUT1，ADC_OUT_ID2> ADC_OUT_ID1.根據(jù)式（2）、（3）、（4）、（5）可以得到失調(diào)誤差值和增益誤差值如下：

通過上式（6）、（7）得到失調(diào)誤差和增益誤差參數(shù)Err_Gain和Err_Oあset ，保存在參數(shù)存儲(chǔ)及校正輸出單元14中，后續(xù)ADC去采集任意信號(hào)Vx，只要通過參數(shù)存儲(chǔ)及校正輸出單元14將這兩個(gè)參數(shù)補(bǔ)償回來就可以得到校正后的轉(zhuǎn)換輸出值Data_outx，校正輸出值計(jì)算公式如下：

可以在每次上電使用ADC時(shí)進(jìn)行一次校正參數(shù)獲取，然后保存在存儲(chǔ)單元中，后續(xù)信號(hào)采集只需要將校正參數(shù)計(jì)算補(bǔ)償回來就可以得到準(zhǔn)確的校正輸出值。

本校正方法的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）可以很方便地設(shè)置合理的系數(shù)k1和k2, 使得V1的取值要略大于電路最低電平，V2取值要略小于系統(tǒng)參考電壓，從而不會(huì)出現(xiàn)上述傳統(tǒng)方法一種描述的問題，本方法能滿足所有類型ADC的校正需求。

（2）采用比例設(shè)計(jì)，即使不知道當(dāng)前參考源VREF的準(zhǔn)確值也能完成校正過程得到準(zhǔn)確的校正輸出。

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

針對(duì)V1、V2的產(chǎn)生與選取，給出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的實(shí)現(xiàn)電路，如圖2所示。電阻R1，R2，…Rn 為n個(gè)阻值相等的電阻，對(duì)參考電壓VREF進(jìn)行分壓得到V1=k1*VREF，V2=k2*VREF.開關(guān)SW1在校正過程中閉合，校正完成斷開，節(jié)省功耗。

ADC誤差校正的操作流程為：

（1）生成至少兩路輸入電壓信號(hào)；

（2）計(jì)算失調(diào)誤差和增益誤差；

（3）正常輸入，對(duì)轉(zhuǎn)換輸出進(jìn)行校正；

（4）完成校正的輸出值，應(yīng)該與理想輸出值進(jìn)行比較，差值一般在1LSB以內(nèi)。

特別強(qiáng)調(diào)的是，每次上電后，第（4）步這樣的驗(yàn)算過程至少完成幾次，確保計(jì)算誤差值的正確性。

4 實(shí)際仿真結(jié)果及分析

對(duì)12bit ADC電路進(jìn)行仿真，參考電壓為5V, 輸入電壓：k1=1/4, k2=3/4，故輸入電壓分別為1.25V和3.75V，ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果分別為973和2980，理想值根據(jù)計(jì)算應(yīng)分別為1024和3071， 帶入（6）、（7）兩式計(jì)算可得增益誤差系數(shù)Err_Gain=0.98（即2%的增益誤差），Err_Oあset=30（代表有-30LSB 失調(diào)誤差）。把30和0.98這兩個(gè)參數(shù)存儲(chǔ)在寄存器中，后續(xù)轉(zhuǎn)換結(jié)果全部補(bǔ)回去即可得到校正后的ADC輸出結(jié)果，從0到VREF遍歷輸入，全范圍內(nèi)校正結(jié)果如圖3所示，可見校正值與理想值完全吻合，達(dá)到校正目的。

5 結(jié)論

本文通過公式推理，提出一種ADC誤差校正方法，并給出具體實(shí)現(xiàn)電路和操作流程。本文方法可以在參考源具體值未知的情況下滿足所有正偏差型和負(fù)偏差型ADC的增益誤差和失調(diào)誤差校正，最后通過實(shí)例仿真驗(yàn)證了該方法的有效和準(zhǔn)確性。