簡化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)任務(wù)的新型模擬開關(guān)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前端模擬通道的各個部件——傳感器、信號調(diào)理電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等都會在不同程度上給測量結(jié)果帶來誤差，而且該誤差會隨著溫度、時間而漂移。傳感器和信號調(diào)理電路的誤差及其漂移問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(zhǔn)和補(bǔ)償。例如壓力傳感器經(jīng)過補(bǔ)償后的輸出精度可達(dá)0.1%或更高。但是對于通道的最后一個環(huán)節(jié)——模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所帶來的誤差卻常常被忽視。 線性系統(tǒng)的誤差分為零點(diǎn)(失調(diào))誤差、增益(滿度)誤差和非線性誤差三種類型。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通常都具有優(yōu)異的線性度，例如常見的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574，非線性誤差(INL和DNL)在1LSB以內(nèi)。但是其零點(diǎn)和增益的誤差卻不理想，典型的12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器這兩種誤差會高達(dá)10LSB，這對于要求0.1%精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說是難以接受的。當(dāng)然，可以采用微調(diào)電位器的方法來修正這兩種誤差，也可以考慮采用高分辨率的轉(zhuǎn)換器。但前者增加了線路調(diào)整的復(fù)雜性，后者增加了產(chǎn)品的成本。

另外一個解決方案就是通過一個校準(zhǔn)通道，用軟件的方法對模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行校準(zhǔn)。但這需要至少兩個高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號。而采用分立方案很難獲得超過0.1%精度的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，問題還是沒有解決。

Maxim公司帶校準(zhǔn)功能的模擬開關(guān)(“校準(zhǔn)多路器”)MAX4539使這個問題得到了解決。這種新穎的模擬開關(guān)利用激光微調(diào)技術(shù)在內(nèi)部集成了高精度的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓比精度高達(dá)0.002%(優(yōu)于15位)，可為ADC提供進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)所需的高精度標(biāo)準(zhǔn)信號。芯片內(nèi)部同時還集成了較低精度的分壓網(wǎng)絡(luò)，可用來對系統(tǒng)電源進(jìn)行監(jiān)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(xiàn)系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)校準(zhǔn)。

MAX4539結(jié)構(gòu)及工作模式

MAX4539的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主體部分是一個普通的低電壓、8通道CMOS模擬開關(guān)。另外還有一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓網(wǎng)絡(luò)將外部輸入的基準(zhǔn)電壓或電源電壓分壓后經(jīng)過選擇開關(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(nèi)部開關(guān)，實(shí)現(xiàn)輸入通道選擇或工作模式切換。

MAX4539具有測量、自檢和校準(zhǔn)三種工作模式，不同工作模式可通過控制引腳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接口非常簡單。工作模式及輸入通道的選擇參見真值表。

當(dāng)CAL無效(低電平)時器件工作在測量模式，相當(dāng)于一個普通的低電壓、8選1模擬開關(guān)，通過地址A0~A2選擇輸入通道。當(dāng)CAL有效(高電平)時，芯片進(jìn)入自檢及自校準(zhǔn)模式，通過A0~A2可選擇不同的校準(zhǔn)或自檢功能。A2A1A0=101選擇增益校準(zhǔn)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(shù)轉(zhuǎn)換器所采用的基準(zhǔn)電壓。對于理想A/D，該電壓轉(zhuǎn)換后的結(jié)果應(yīng)為4081，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果與此值的偏差就可計(jì)算出A/D的增益誤差;A2A1A0=110時進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，輸出VCOM=15/4096(VREFHI-VREFLO)±0.0024%，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果與15之偏差計(jì)算出A/D的零點(diǎn)誤差;A2A1A0=000或011時進(jìn)行系統(tǒng)自檢，內(nèi)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。