AVR120 AVR的ADC校正和说明.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流AVR120 AVR的ADC校正和说明.精品文档.AVR120:AVR 的 ADC 校正和说明翻译:邵子扬 2006年10月20日shaoziyang特点:l 理解模拟到数字转换(ADC)的特点l 测量参数说明 ADC 特点l 温度、频率和电压的依赖性l 偏移量和增益误差补偿1 介绍这篇应用笔记解释了各种 ADC(模拟到数字转换)的特性以及它们怎样影响测量。同时说明了怎样在产品测试中测量这些参数,以及怎样在运行时补偿测量误差。AVR单片机的Flash存储器的一个很大的优点在于校正代码可以用程序替换,这样校正代码不会在最终产品中占用空间。2 理
2、论在进入讨论前,先介绍一些中心概念。下面小节(一般ADC的概念)可以忽略如果读者已经熟悉了量化、分辨率和ADC转化。2.1 一般ADC的概念ADC转变一个模拟输入信号为数字输出参数,表示出输入信号和参考信号的相对大小。为了更好的说明ADC,这篇应用笔记区别说明完美、理论和实际的ADC。一个完美的ADC只是一个理论概念,在实际中并不存在。它有无限分辨率,每个输入在指定范围输出一个唯一的值。理想的ADC是一个线性转换函数,如图1。图1. 完美的ADC为了定义一个理论的ADC,必须介绍量化的概念。由于将ADC数字化,不可能连续的输出数值,输出范围分为一定的台阶,每个都是一个可能的输出值。这意味着一个
3、输出值不是只对应一个唯一输入,而是一个小范围的输入值。结果就是一个阶梯转换函数,分辨率是不同输出的个数。例如,ADC输出为8个台阶,即分辨率是8,或者说3位。转换函数如图2所示,理论ADC等于完美的ADC在每一级台阶的中间点。这说明理论ADC本质上是输入参数对应的最接近的台阶输出参数。图2. 理论上的3位ADC转换函数对于一个理论上的3位ADC,最大误差是1/2台阶,也就是说最大的量化误差总是1/2 LSB,LSB是输入电压对应输出参数最小数据位。实际的ADC还存在其他误差,这将在后面说明。2.2 转换范围Atmel的AVR单片机可以配置为单端输入或者差分输入。单端输入用于测量单个通道的输入电
4、压,差分模式用于测量两个不同通道之间的差。不论哪种模式,每个通道的输入电压范围都要在GND到Avcc之间。使用单端模式,相对于GND的输入电压被转换为数值信号。使用差分模式,从差分运放的输出(可选增益)转化为数字量(可能是负数)。一个简化的图例如图3:图3. 简化的ADC输入电路为了决定转换范围,转换电路需要一个参考电压(VREF),用于代表最大输出值。根据数据手册,对于标准芯片VREF 至少是2V,对于工作电压是1.8V的芯片参考电压允许低至1V,对于单端输入和差分输入都是一样。2.2.1 单端转换范围单端转换输入通道直接连到转换电路,如图3A所示。AVR的10位ADC将从GND到VREF的
5、连续输入信号转换为从0到1023的离散输出信号。2.2.2 差分转换范围差分转换连接两个输入通道到可变增益差分放大器,放大器的输出反馈到转换电路,如图3B。差分电压从-VREF到+VREF ,转换结果从-512到+511。XX。即使测量负的差分电压,每个通道的输入电压范围还是在GND到AVcc之间。小于-VREF的差分电压将得到最小值(在10位ADC时是-512),大于VREF的差分电压将得到最大值(在10位ADC时是511)。注意某些型号的器件不能测量负的差分电压,如ATiny26。2.3 校正ADC实际的总误差不只是量化误差,这篇文档说明了偏置和增益误差,以及如何进行补偿。同时介绍了两种测
6、量非线性度的方法,微分法和积分法。对于大多数应用,在使用单端模式时ADC无需校正。典型精度是1-2LSB,既不需要也难以通过校正获得更高的精度。但是,使用差分模式时情况就不同了,特别在高增益时,微小的变化通过放大器就变成了很大的误差,未补偿的误差通常大于20LSB。这些误差需要用软件针对每个器件进行补偿。初看起来20LSB是一个很大的参数,但是这并不代表差分模式就没有用处了,经过简单的校正算法,误差就可以控制在1-2LSB之内。2.4 绝对误差绝对误差是理想直线和实际曲线,包括量化误差的最大差值。因为量化误差,最小绝对误差是LSB。绝对误差或者叫绝对精度是未补偿误差的总和,包括了量化误差、偏置
7、误差、增益误差和非线性误差。偏置、增益和非线性在后面说明。绝对误差可以通过使用斜坡输入电压测量,在这种情况下所有的输出参数都和输入电压做比较,最大差值给出了绝对误差。注意绝对误差不能直接补偿,除非使用占用很大内存的查表或多项式逼近。但是绝对误差最重要的贡献是可以补偿偏置和增益误差。绝对误差会缩小ADC的范围,需要考虑最大和最小输入范围,避免被绝对误差截短。2.5 偏置误差偏置误差定义为在0输入时,实际ADC转换函数和理想直线的差。当输入参数是LSB时输出没有产生从0变到1,我们就称之为偏置误差。对于正偏置,当输入从下往上逼近LSB时输出值大于0;对于负偏置第一次输出变化时输入大于LSB。换句话
8、说,如果实际的转换结果低于理想直线,就是负偏置。偏置示意图如图4。图4. 正偏置(A)和负偏置(B)因为单端转换只产生正数结果,所以单端和差分的偏置测量过程是不同的。2.5.1 偏置误差 单端通道为了测量偏置误差,从GND开始增加输入电压直到输出产生第一个转换结果变化。计算输入电压差,这个差值转换到LSB,就等于偏置误差。在图5A,第一次转变发生在1LSB。转变从2到3,等效输入电压是2LSB。差值是+1LSB,这就是偏置误差,双箭头指示出差值。在图5B中显示了同样的过程,第一次转变发生在2LSB,从0到1时,等效输入电压为LSB,偏置误差也就是差值为-1LSB。图5. 单端模式下的正偏置(A
9、)和负偏置(B)误差测量过程如图6。图6. 单端偏置误差测量过程为了补偿单端模式下的偏置误差,可以从每个测量结果中减去偏置误差。注意到偏置误差会影响ADC的范围,一个大的正偏置误差使输出值在输入达到最大值前就已经饱和,而大的负偏置误差使输出值变为0在输入变为最小值前。2.5.2 偏置误差 差分通道使用差分通道,测量偏置误差变得更容易,因为不需要外部输入电压。两个差分输入端可以连接到同一内部电压上,输出就是偏置误差。因为这种方法无法确定何时发生第一次转换,所以给出误差是LSB到1LSB(最差情况)。为了补偿差分模式下的偏置误差,同样是从每次测量结果中减去偏置误差。2.6 增益误差增益误差的定义是
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