在當今的混合信號系統(tǒng)世界里，許多應用都需要測量和處理大量的模擬信號，包括但不限于電壓、電流、溫度、壓力、加速度、pH值、流量和ECG等。相關應用領域包括可控環(huán)境下的實驗室和醫(yī)療設備，也包括運行在惡劣工作條件下的工業(yè)設備。需要測量的模擬信號范圍很大，包括ECG系統(tǒng)中的幾微伏電壓到發(fā)電站的數(shù)千伏電壓等。

無論是什么應用、環(huán)境或待測量的信號量，基本的信號采集系統(tǒng)都包含一個放大和調節(jié)信號的模擬前端以及將模擬信號轉換為數(shù)字值、然后由微處理器加以處理的模數(shù)轉換器 (ADC)。模擬前端可能是一個簡單的放大器，也可能是包含多級放大器和濾波器的復雜系統(tǒng)。

基本信號調節(jié)電路的方框圖如下所示：

放大器增益

假定系統(tǒng)是理想狀態(tài)，那么ADC輸出由以下方程式表示：

這里，VIN為輸入電壓

A為放大器增益

VFS為ADC的范圍

N為ADC的分辨率

對于ADC計數(shù)而言，微處理器根據(jù)以下方程式計算輸入電壓：

可惜的是，在現(xiàn)實世界中，沒有所謂“理想”的情況，系統(tǒng)必須應對引入系統(tǒng)并影響ADC輸出的誤差。最重要的誤差也就是我們本文將要討論的誤差——偏移誤差和增益誤差。

偏移誤差

圖2顯示了范圍介于+2.5V之間的8位ADC示意圖。X軸表示輸入電壓，Y軸表示ADC計數(shù)。藍線為理想的ADC輸出。紅線則為實際的ADC輸出。請注意，實際輸出與理想狀態(tài)不同，這種差異就叫作偏移誤差。

所有運算放大器的輸入都存在有限的偏移電壓。偏移電壓被添加到輸入信號上，然后被放大器增益放大并在輸出處表現(xiàn)出來。除了放大器級之外，ADC還有自己的偏移電壓，也會增加到系統(tǒng)誤差上。偏移誤差是附加誤差，能輕松地從系統(tǒng)中移除。

增益誤差

圖3顯示了同樣范圍介于+2.5V之間的8位ADC示意圖。請注意，實際輸出斜率與理想輸出的斜率不同，這種差異就叫作增益誤差。

增益誤差主要是由于放大器中增益設定電阻的容差和ADC中參考電壓的容差而造成的。增益誤差是一種縮放型誤差，也能輕松地從系統(tǒng)中移除。

代表實際系統(tǒng)的數(shù)學方程式

理想的采集系統(tǒng)可以借助簡單的數(shù)學方程式表達，如方程式3：

這里，y是系統(tǒng)輸出或ADC計數(shù)

mi是系統(tǒng)的理想增益

x是輸入電壓

在方程式中引入偏移誤差和增益誤差，則有：

這里，ma是實際系統(tǒng)中帶有誤差的增益

C是偏移誤差

圖4顯示了存在偏移誤差和增益誤差的系統(tǒng)：

片上系統(tǒng) (SoC) 是在單顆芯片上集成模擬和數(shù)字外設以及微處理器的混合信號控制器，其不僅在同一器件中集成了模擬前端所需的所有組件，如放大器、濾波器、ADC等，而且還可提供靈活的路由選項。利用這些靈活的資源，我們能精確地解決偏移誤差和增益誤差問題。

下面讓我們討論一些用來消除偏移和增益誤差廣泛采用的校準方法。每種方法都有自己的優(yōu)點和缺點。根據(jù)應用不同，我們可使用一種方法、或者多種方法的組合，從而實現(xiàn)最高的精度。

兩點校準

這種校準方法能同時解決偏移誤差和增益誤差。在方程式4中，如果實際增益ma和偏移C為已知，那么實際輸入可用方程式5進行計算：

參數(shù)ma和C均可通過兩點校準過程加以確定：

1、在模擬前端輸入處施加0V電壓，測量ADC輸出，并記錄為Offset (C)。

2、在輸入處施加已知參考電壓并測量ADC輸出。為了實現(xiàn)最佳性能，參考電壓應大于滿量程值的90%。

3. 計算計數(shù)/電壓 (ma) 或電壓/計數(shù) (1/ma) 增益。

4、將偏移和增益值存儲在非易失性存儲器中，并在實際測量中使用該值。

當偏移和增益值被存儲之后，我們就能使用以下方法測量輸入信號：

1. 測量輸入ADC計數(shù)。

2. 使用偏移和增益值計算輸入電壓。

根據(jù)應用不同，用于執(zhí)行偏移或刻度校準的觸發(fā)器可用開關實現(xiàn)，或者也可通過通信接口接受命令實現(xiàn)。

刻度可以是被測量的實際單位的函數(shù)。舉例來說，如果您測量分流器上壓降的電流，那么您不必測量電壓再得出電流，而是可以直接對分流器施加參考電流并通過計數(shù)/安培來計算刻度。這就消除了分流電阻容差所造成的誤差問題。

缺點：

使用這種偏移和增益補償方法有兩個缺點：

1. 運算放大器的偏移有自身的溫度系數(shù)，會隨溫度而變化。這會導致在進行校準溫度以外的其它溫度上會出現(xiàn)偏移誤差。

2. 兩點校準會在制造進程中多加一個步驟。

我們可通過以下技術方法來解決這兩個缺點。