簡(jiǎn)化數據采集系統校準任務(wù)的新型模擬開(kāi)關(guān)

數據采集系統中，前端模擬通道的各個(gè)部件——傳感器、信號調理電路和模/數轉換系統等都會(huì )在不同程度上給測量結果帶來(lái)誤差，而且該誤差會(huì )隨著(zhù)溫度、時(shí)間而漂移。傳感器和信號調理電路的誤差及其漂移問(wèn)題受到了廣泛的重視，并發(fā)展了多種技術(shù)對其進(jìn)行校準和補償。例如壓力傳感器經(jīng)過(guò)補償后的輸出精度可達0.1%或更高。但是對于通道的最后一個(gè)環(huán)節——模/數轉換器所帶來(lái)的誤差卻常常被忽視。 線(xiàn)性系統的誤差分為零點(diǎn)(失調)誤差、增益(滿(mǎn)度)誤差和非線(xiàn)性誤差三種類(lèi)型。模/數轉換器ADC通常都具有優(yōu)異的線(xiàn)性度，例如常見(jiàn)的12位模/數轉換器AD574，非線(xiàn)性誤差(INL和DNL)在1LSB以?xún)?。但是其零點(diǎn)和增益的誤差卻不理想，典型的12位模/數轉換器這兩種誤差會(huì )高達10LSB，這對于要求0.1%精度的數據采集系統來(lái)說(shuō)是難以接受的。當然，可以采用微調電位器的方法來(lái)修正這兩種誤差，也可以考慮采用高分辨率的轉換器。但前者增加了線(xiàn)路調整的復雜性，后者增加了產(chǎn)品的成本。

另外一個(gè)解決方案就是通過(guò)一個(gè)校準通道，用軟件的方法對模/數轉換器進(jìn)行校準。但這需要至少兩個(gè)高精度的標準信號。而采用分立方案很難獲得超過(guò)0.1%精度的標準電壓信號，問(wèn)題還是沒(méi)有解決。

Maxim公司帶校準功能的模擬開(kāi)關(guān)(“校準多路器”)MAX4539使這個(gè)問(wèn)題得到了解決。這種新穎的模擬開(kāi)關(guān)利用激光微調技術(shù)在內部集成了高精度的電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，分壓比精度高達0.002%(優(yōu)于15位)，可為ADC提供進(jìn)行零點(diǎn)校準和增益校準所需的高精度標準信號。芯片內部同時(shí)還集成了較低精度的分壓網(wǎng)絡(luò )，可用來(lái)對系統電源進(jìn)行監測。這樣在不增加任何其他硬件的情況下，可以很容易地實(shí)現系統自檢、數據采集和系統校準。

MAX4539結構及工作模式

MAX4539的內部結構如圖1所示。其主體部分是一個(gè)普通的低電壓、8通道CMOS模擬開(kāi)關(guān)。另外還有一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò )，分壓網(wǎng)絡(luò )將外部輸入的基準電壓或電源電壓分壓后經(jīng)過(guò)選擇開(kāi)關(guān)送往多路器輸出端。譯碼電路將控制信號及地址信號譯碼后控制內部開(kāi)關(guān)，實(shí)現輸入通道選擇或工作模式切換。

MAX4539具有測量、自檢和校準三種工作模式，不同工作模式可通過(guò)控制引腳CAL和地址引腳A0~A2進(jìn)行選擇，另外還具有使能控制和狀態(tài)鎖存，與CPU接口非常簡(jiǎn)單。工作模式及輸入通道的選擇參見(jiàn)真值表。

當CAL無(wú)效(低電平)時(shí)器件工作在測量模式，相當于一個(gè)普通的低電壓、8選1模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)地址A0~A2選擇輸入通道。當CAL有效(高電平)時(shí)，芯片進(jìn)入自檢及自校準模式，通過(guò)A0~A2可選擇不同的校準或自檢功能。A2A1A0=101選擇增益校準模式，輸出電壓為VCOM=4081/4096(VREFHI-VREFLO)±0.0024%，其中的VREFHI、VREFLO分別為輸入REFHI和REFLO引腳的電壓，一般為模/數轉換器所采用的基準電壓。對于理想A/D，該電壓轉換后的結果應為4081，根據實(shí)際轉換結果與此值的偏差就可計算出A/D的增益誤差;A2A1A0=110時(shí)進(jìn)行零點(diǎn)校準，輸出VCOM=15/4096(VREFHI-VREFLO)±0.0024%，根據實(shí)際轉換結果與15之偏差計算出A/D的零點(diǎn)誤差;A2A1A0=000或011時(shí)進(jìn)行系統自檢，內部分壓網(wǎng)絡(luò )采樣電源電壓并送給A/D進(jìn)行檢測，采樣值分別為：VCOM=1/2(V+)±0.4%或5/8(V+- V-)±0.4%。另外還可以選擇將REFHI、REFLO或GND端的電壓送交A/D進(jìn)行檢測。