CN101657969A - 使用内部电压参考的模-数转换器偏移和增益校准 - Google Patents

Abstract

一种混合信号装置，其具有使用内部电压参考来进行偏移和增益校准的模－数转换器(ADC)，借此数字处理器通过调节模拟输入放大器增益和偏移或通过对测得电压的数字表示进行软件补偿来校准掉所述模－数转换器中的偏移和增益误差。在确定对照所述两个已知电压值校准ADC所需的偏移和增益调节中使用两个不同的已知电压值。所述混合信号装置可进一步包括具有准确的已知电压值的带隙电压参考。其中所述带隙电压参考可用于所述ADC的进一步偏移和增益校准，以产生大体上绝对的电压值。

Description

使用内部电压参考的模-数转换器偏移和增益校准

相关专利申请案

本申请案主张伊格·伏叶伏达(Igor Wojewoda)、高让·卡威亚(Gaurang Kavaiya)和提姆·菲尼克斯(Tim Phoenix)在2007年4月17日申请的标题为“使用内部电压参考的模-数转换器偏移和增益校准(Analog-to-Digital Converter Offset and Gain CalibrationUsing Internal Voltage References)”的第60/912,226号共同拥有的美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案出于所有目的以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及模-数转换器(ADC)，且更明确地说，涉及校准ADC的偏移和增益以获得绝对值电压测量。

背景技术

目前技术的模-数转换电路通过使用模拟多路复用电路而具有多个输入通道，模拟多路复用电路允许从用于模-数转换电路的模-数转换的若干不同外部模拟源进行输入选择。然而，由于外部模拟源的绝对值可能并非已知，且必须通过准确测量来验证，且模-数转换电路中的缺点(例如偏移和增益误差)导致正被测量的外部模拟电压的模-数转换测量不准确。偏移和增益误差可能由于电路非线性、电阻性电压降和/或制造工艺变化而产生。而且在无准确的参考点和/或绝对电压参考供比较的情况下，仅相对于电源电压(例如V_DD)的相对测量是可能的。

发明内容

因此，需要通过校准掉模-数转换电路的偏移和增益误差来获得大体上准确值的电压测量，且通过将所得电压值与精度经缩放的电压参考(例如V_DD和由精度电阻分压器划分的V_DD)进行比较来将所得电压值调节(例如校准)为比例上准确的电压值。另外，可通过使用高度准确且稳定的绝对电压参考(例如带隙电压参考等)来获得绝对电压校准。

根据本发明的教示，ADC的若干模-数输入通道(例如，耦合到ADC的取样和保持电路的模拟多路复用器)可连接到内部电压参考，而不是用于耦合到待测的外部模拟电压源。内部电压参考可包括(例如，但不限于)带隙参考，其被下分为V_DD电源电压参考，V_DD电源电压参考可包含(例如，但不限于)近似为1/4V_DD和3/4V_DD等的电压参考。由于ADC测量与V_DD有关，因此使用1/4V_DD和3/4V_DD电压值来进行转换和校准可允许校准掉ADC的大体上所有的线性偏移和增益误差。接着通过进一步转换从对照绝对值(例如，1.2伏的带隙参考电压)的相对V_DD值获得的经校准的值，可将ADC测量转换值转变为绝对电压测量。此过程产生用以使用模-数转换电路来获得准确的绝对电压测量的快速且可靠的方法。预期且在本发明的范围内，还可在校准掉模-数转换电路的偏移和增益误差时将全标度模拟V_DD和V_SS(共同)用作内部参考。

可从线方程y＝mx+c导出ADC校准，其中y表示经校准的测得值，x表示未经校准的测得输入值，m为增益调节，且c为所需的校准偏移。一旦m和c是已知的，那么x的所有值均将导致正确的y值。m和c值可存储在寄存器中，且软件程序可使用m和c值来针对每一测得x值计算正确的y值，且/或可将m和c值编程为对ADC的模拟前端的硬件增益和偏移调节，而在ADC转换过程期间无需软件计算。

根据本发明的具体实例实施例，具有使用内部电压参考来校准的模-数转换器的混合信号装置包括：数字处理器；模-数转换器(ADC)；模拟多路复用器；以及分压器，其耦合到电源电压且具有从所述电源电压导出的多个不同电压值，其中：ADC耦合到模拟多路复用器的输出且耦合到数字处理器，且所述多个不同电压值中的至少两个电压值分别耦合到模拟多路复用器的至少两个输入；其中所述数字处理器通过使用所述多个不同电压值中的至少两个电压值作为电压参考点来计算校准ADC输出所需的增益和偏移值。

根据本发明的另一具体实例实施例，一种具有使用内部电压参考来校准的模-数转换器的混合信号装置包括：数字处理器；模-数转换器(ADC)；模拟多路复用器；以及具有至少两个不同电压的电压参考，其中：ADC耦合到模拟多路复用器的输出且耦合到数字处理器，且来自所述电压参考的至少两个不同电压分别耦合到模拟多路复用器的至少两个输入；其中数字处理器通过使用来自所述电压参考的至少两个不同电压作为电压参考点来计算校准ADC输出所需的增益和偏移值。

根据本发明的又一具体实例实施例，提供一种用于通过使用内部参考电压来计算校准模-数转换器所必需的增益和偏移的方法，所述方法包括以下步骤：测量第一参考电压；存储测得的第一参考电压；测量第二参考电压；存储测得的第二参考电压；使用第一和第二参考电压来计算校准模-数转换器所必需的增益和偏移值；以及通过调节模-数转换器的增益和偏移来校准模-数转换器。

附图说明

通过参考结合附图而进行的以下描述，可获得对本发明的更全面的理解，其中：

图1是根据本发明具体实例实施例的具有模-数转换能力的混合信号装置的示意性框图；

图2是根据本发明具体实例实施例的可为用于图1的混合信号装置的模-数转换的未经补偿的电路中所固有的具体实例增益误差的示意性曲线图；

图3是根据本发明具体实例实施例的可为用于图1的混合信号装置的模-数转换的未经补偿的电路中所固有的具体实例偏移误差的示意性曲线图；

图4是根据本发明具体实例实施例的用于图1的混合信号装置的模-数转换的未经补偿的电路的理想模-数传递曲线与未经补偿的模-数传递曲线之间的差异的示意性曲线图；

图5是根据本发明具体实例实施例的用于确定用于将相应的模拟电压耦合到图1所示的混合信号装置的ADC的模拟多路复用器的模拟输入的ADC输入选择位的表；以及

图6是可用于校正到图1的混合信号装置的模-数转换器的模拟电压的值，且通过使用图1中所示的精度电压参考进一步将这些经校正的值校准为绝对电压值的程序步骤的具体实例实施例的示意性流程图。

虽然本发明可具有各种修改和替代形式，但已在图中展示且在本文中详细描述其具体实例实施例。然而，应理解，本文对具体实例实施例的描述无意使本发明限于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明将涵盖如由所附权利要求书界定的所有修改和等效物。

具体实施方式

现在参看图式，示意性地说明具体实例实施例的细节。图中的相同元件将由相同编号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的类似编号表示。

参看图1，其描绘根据本发明具体实例实施例的具有模-数转换能力的混合信号装置的示意性框图。所述混合信号装置(即，具有模拟和数字电路两者)由标号100概括表示，且可包括数字处理器108、模-数转换器(ADC)110、模拟多路复用器104和分压器112。绝对电压参考102任选地可用于混合信号装置100的绝对电压校准。数字处理器108(例如微处理器、微控制器、数字信号处理、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)等)可经由数字数据总线122接收模-数转换电路110转换的模拟电压的数字表示。数字处理器108控制选择模拟多路复用器104的哪一模拟输入。

模拟多路复用器104可用于选择外部模拟输入124中的任一者、绝对电压116a或116b、模拟电压总线118上的多个不同电压值中的任一者、V_DD和/或V_SS。数字处理器108可用于控制模拟多路复用器104对输入多路复用器104的输入处的选定模拟电压的输入到输出路由，使得选定模拟电压看起来为来自模拟多路复用器104的输出126，且从而可应用于ADC 110以转换为其在数字数据总线122上的数字表示。

绝对电压参考102可为带隙电压参考等。来自电压参考102(例如1.20伏的带隙电压参考)的绝对电压116可应用于模拟多路复用器104的输入。带隙电压参考还可由分压器(未图示)划分，其中绝对参考电压116a可被(例如，但不限于)组成分压器112的精度电阻器划分器网络分成较低值电压116a(例如0.6伏)参考。可从分压器112获得多个不同电压值n。可从电源电压V_DD和V_SS导出所述多个不同电压值，并使其在模拟电压总线118上可供模拟多路复用器104使用。V_DD和V_SS是还可在模拟多路复用器104的相应输入处从模拟电压总线118获得的全标度电源电压值。举例来说，如果分压器112具有64个单位电阻器，那么第16个电压分接头可供应16/64或1/4V_DD的电压，且第48个电压分接头可供应48/64或3/4V_DD的电压。然而，预期且在本发明的范围内，可使用任何两个或两个以上电压分接头，将贯穿本文所揭示的具体实例实施例使用1/4和3/4的全标度V_DD。

可从线方程y＝mx+c导出ADC校准，其中y表示经校准的测得值，x表示未经校准的测得输入值，m为增益调节，且c为所需的校准偏移。一旦m和c是已知的，那么x的所有值均将产生正确的y值。仅需要两个校准点(例如1/4V_DD和3/4V_DD或来自电压参考102的两个电压116a和116b)用于确定m和c值。m和c值可存储在数字处理器108的寄存器(未图示)中，且在数字处理器102中运行的软件程序可使用m和c值来针对每一测得x值计算正确的y值，且/或可将m和c值编程为对ADC 110的模拟前端的硬件增益和偏移调节，而在ADC转换过程期间无需软件计算。

参看图2，其描绘根据本发明具体实例实施例的可为用于图1的混合信号装置的模-数转换的未经补偿的电路中所固有的具体实例增益误差的示意性曲线图。这些增益误差影响ADC转换性能。

参看图3，其描绘根据本发明具体实例实施例的可为用于图1的混合信号装置的模-数转换的未经补偿的电路中所固有的具体实例偏移误差的示意性曲线图。这些偏移误差影响ADC转换性能。

参看图4，其描绘根据本发明具体实例实施例的用于图1的混合信号装置的模-数转换的未经补偿的电路的理想模-数传递曲线与未经补偿的模-数传递曲线之间的差异的示意性曲线图。一旦在(例如，但不限于)大约1/4V_DD和3/4V_DD下取得测量，就可使用数字处理器108中的软件来调节实际传递曲线，以得出大体上理想的传递函数以实现改进许多的转换准确性，或可将m和c值编程为对ADC 110的模拟前端的硬件增益和偏移调节，而在ADC转换过程期间无需软件计算。大体上理想的传递函数可存储在与数字处理器108相关联的存储器(例如非易失性存储器)(未图示)中。一旦已将实际传递曲线调节为大体上理想的传递函数，测量绝对带隙电压参考值(例如，绝对电压116a和/或116b)就将允许基于所述大体上理想的传递函数和所使用的带隙电压参考值而将相对ADC测量转变为绝对电压测量。

参看图5，其描绘根据本发明具体实例实施例的用于确定用于将相应的模拟电压耦合到图1中所示的混合信号装置的ADC的模拟多路复用器的模拟输入的ADC输入选择位的表。举例来说，当数字处理器108将“1111”应用于模拟多路复用器104的控制输入时，ADC 110可对带隙电压进行转换。当数字处理器108将“1001”应用于模拟多路复用器104的控制输入时，ADC 110可对3/4V_DD进行转换。通过选择到达模拟多路复用器104的控制输入的位“1000”，ADC 110可对1/4V_DD进行转换。预期且在本发明的范围内，视划分器电阻器串上的电压分接头的数目而定，可使用近似1/4V_DD和3/4V_DD的任何减小电压组合。可选择减小的电压值(例如，电阻器划分器分接头)，以便使所述值保持远离ADC 110的末端范围，即最小值(V_SS)和最大值(V_DD)，同时使ADC 110的大体上线性的转换点(例如1/4V_DD和3/4V_DD)之间的差异最大化。

参看图6，其描绘可用于校正到图1的混合信号装置的模-数转换器的模拟电压的值，且通过使用图1中所示的精度电压参考进一步将这些经校正的值校准为绝对电压值的程序步骤的具体实例实施例的示意性流程图。或者，可使用来自电压参考102的两个电压值116a和116b。在步骤602中测量3/4V_DD，且在步骤608中存储所述3/4V_DD。在步骤604中测量1/4V_DD，且在步骤610中存储所述1/4V_DD。在步骤612中，根据所存储的3/4V_DD和1/4V_DD测量来确定增益m和偏移c常数，即如上文更全面地论述的y＝mx+c。在步骤614中，调节ADC的范围和偏移以准确地表示参考V_DD的ADC转换。任选地，在步骤616中，进一步基于电压参考102(例如，带隙电压参考)来调节增益m和偏移c常数，以反映绝对电压测量。可通过将输入模拟放大器增益M和偏移C作为硬件函数来调节而将使用计算出的增益m和偏移c的y＝mx+c方程应用于ADC的模拟前端，或可使用在数字处理器108中运行的软件程序而将y＝mx+c方程应用于来自ADC输出的数字表示。

虽然已参考本发明的实例实施例描绘、描述并界定了本发明的实施例，但此些参考并不暗示对本发明的限制，且不应推断出此限制。所揭示的标的物允许所属领域且受益于本发明的技术人员将想到的对形式和功能的相当多的修改、更改和等效物。本发明的所描绘并描述的实施例只是实例，且并非本发明的范围的穷举。

Claims (21)

1.一种混合信号装置，其具有使用内部电压参考来校准的模-数转换器，所述混合信号装置包括：

数字处理器；

模-数转换器(ADC)；

模拟多路复用器，以及

分压器，其耦合到电源电压，且具有从所述电源电压导出的多个不同电压值，其中：

所述ADC耦合到所述模拟多路复用器的输出且耦合到所述数字处理器，且所述多个不同电压值中的至少两者分别耦合到所述模拟多路复用器的至少两个输入；

其中所述数字处理器通过使用所述多个不同电压值中的所述至少两者作为电压参考点来计算校准所述ADC输出所需的增益和偏移值。

2.根据权利要求1所述的混合信号装置，其进一步包括耦合到所述模拟多路复用器的另一输入的电压参考，其中所述数字处理器进一步改进将所述ADC输出校准为绝对电压值所需的所述增益和偏移值的所述计算。

3.根据权利要求2所述的混合信号装置，其中所述电压参考为带隙电压参考，且所述电压值约为1.2伏。

4.根据权利要求1所述的混合信号装置，其中所述多个不同电压值中的所述至少两者近似为所述电源电压的四分之一和四分之三。

5.根据权利要求1所述的混合信号装置，其中所述ADC输出通过用根据所述多个不同电压值中的所述至少两者而确定的所述增益和偏移值调节ADC模拟电路参数来校准。

6.根据权利要求1所述的混合信号装置，其中所述模拟多路复用器将外部电压耦合到所述ADC，以转换为由所述数字处理器读取的数字值。

7.根据权利要求6所述的混合信号装置，其中所述ADC输出用所述数字处理器通过使用根据所述多个不同电压值中的所述至少两者而确定的所述增益和偏移值调节来自所述ADC的所述数字值来校准。

8.一种混合信号装置，其具有使用内部电压参考来校准的模-数转换器，所述混合信号装置包括：

数字处理器；

模-数转换器(ADC)；

模拟多路复用器；以及

具有至少两个不同电压的电压参考，

其中：

所述ADC耦合到所述模拟多路复用器的输出且耦合到所述数字处理器，且来自所述电压参考的所述至少两个不同电压分别耦合到所述模拟多路复用器的至少两个输入；

其中所述数字处理器通过使用来自所述电压参考的所述至少两个不同电压作为电压参考点来计算校准所述ADC输出所需的增益和偏移值。

9.根据权利要求8所述的混合信号装置，其中所述电压参考为带隙电压参考，且所述电压值约为1.2伏。

10.根据权利要求8所述的混合信号装置，其中来自所述电压参考的所述至少两个不同电压近似为所述电压参考的四分之一和四分之三。

11.根据权利要求8所述的混合信号装置，其中所述ADC输出通过用根据来自所述电压参考的所述至少两个不同电压而确定的所述增益和偏移值调节ADC模拟电路参数来校准。

12.根据权利要求8所述的混合信号装置，其中所述模拟多路复用器将外部电压耦合到所述ADC，以转换为由所述数字处理器读取的数字值。

13.根据权利要求12所述的混合信号装置，其中所述ADC输出用所述数字处理器通过使用根据来自所述电压参考的所述至少两个不同电压而确定的所述增益和偏移值调节来自所述ADC的所述数字值来校准。

14.一种用于通过使用内部参考电压来计算校准模-数转换器所必需的增益和偏移的方法，所述方法包括以下步骤：

测量第一参考电压；

存储所述测得的第一参考电压；

测量第二参考电压；

存储所述测得的第二参考电压；

使用所述第一和第二参考电压来计算校准模-数转换器所必需的增益和偏移值；

以及

根据所述第一和第二参考电压来校准所述模-数转换器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一参考电压约为电源电压的四分之三。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二参考电压约为电源电压的四分之一。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一和第二参考电压来自带隙电压参考。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一参考电压约为1.2伏。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第二参考电压约为0.6伏。

20.根据权利要求14所述的方法，其中所述校准所述模-数转换器的步骤包括用根据所述第一和第二参考电压而确定的所述增益和偏移值来调节模-数转换器模拟电路参数的步骤。

21.根据权利要求14所述的方法，其中所述校准所述模-数转换器的步骤包括使用根据所述第一和第二参考电压而确定的所述增益和偏移值来调节来自所述模-数转换器的数字值的步骤。

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