CN105577189A - 一种高精度adc校准方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度ADC校准方法，包括：输入接口、分压电阻、基带芯片，通过输入接口的电压通过分压电阻转换为更小的电压后输入到基带芯片的ADC管脚；步骤包括：设置几组不同的输入接口处的电压值，记录为(Vset_i，i＝1～N)；分别读取设置的电压值对应的设备测量的输入接口处的电压值，记录为(Vread_i，i＝1～N)；计算理论的gain值，将offset值设置为0，则：Vread_i＝VAdc_i*gain；计算对应的VAdc_i值；根据Vset_i值、VAdc_i值计算最佳gain值和最佳offset值；验证最佳offset和最佳gain的误差效果。本发明计算简单、操作方便、成本低廉；综合考虑到了ADC的偏置误差、增益误差和非线性误差，从而提高了ADC的精度。

Description

一种高精度ADC校准方法

技术领域

本发明具体涉及一种能显著提高模数变换器(简称ADC)校准精度的方法。

背景技术

ADC(指模/数转换器或者模拟/数字转换器)，是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件，典型的模拟数字转换器将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号。

完美的ADC函数模型是一个线性转换函数，完美的ADC函数只是一个理论概念，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，在实际使用过程中是存在偏置误差、增益误差和非线性误差的。增益误差是指ADC实际传输特性曲线和理想传输特性曲线的偏差程度；偏置误差指偏置误差定义为在0输入时，实际ADC转换函数和理想直线的差；非线性误差：当补偿了偏置误差和增益误差后，实际的转换函数应当等于理论ADC的转换函数，但是由于存在着非线性，实际的曲线和理论曲线还是有微小的差别。传统ADC校准方法的函数模型是建立在线性的基础上的，未考虑到非线性因素。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高精度ADC校准方法，计算简单、操作方便、成本低廉，应用领域十分广泛，可应用于汽车的油位读取、电平读取、移动终端的电池电压读取等。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度ADC校准方法，包括：输入接口、分压电阻、基带芯片，通过输入接口的电压通过分压电阻转换为更小的电压后输入到基带芯片的ADC管脚。

将设置的输入接口处的电压记为Vset_i，

将实际测得的输入接口处的电压记为Vread_i，

将基带芯片的ADC管脚处的输入电压记为VAdc_i。

Vread_i和VAdc_i的关系用下列公式表示：Vread_i＝VAdc_i*gain+offset。

所述ADC校准方法包括以下步骤：

步骤1，设置几组不同的输入接口处的电压值，记录为(Vset_i，i＝1～N)；

步骤2，分别读取步骤1设置的电压值对应的设备测量的输入接口处的电压值，记录为(Vread_i，i＝1～N)；

步骤3，根据分压电阻的阻值、分布以及基带芯片精度计算理论的gain值，将offset值设置为0，则Vread_i和VAdc_i的关系用下列公式表示：Vread_i＝VAdc_i*gain；

步骤4，根据步骤3的公式和Vread_i值计算对应的VAdc_i值；

步骤5，通过下列公式，根据Vset_i值、VAdc_i值计算最佳gain值和最佳offset值，

$offset=\frac{(\Σ{\mathrm{VAdc}}_i^2)(\Σ{\mathrm{Vset}}_i)-(\Σ{\mathrm{VAdc}}_i)(\ΣVAdci*{\mathrm{Vset}}_i)}{N(\Σ{\mathrm{VAdc}}_i^2)-{\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i\right)}^2}$

$gain=\frac{N(\Σ{\mathrm{VAdc}}_i*{\mathrm{Vset}}_i)-(\Σ{\mathrm{VAc}}_i)(\Σ{\mathrm{Vset}}_i)}{N(\Σ{\mathrm{VAdc}}_i^2)-{(\Σ{\mathrm{VAdc}}_i)}^2};$

步骤6，验证最佳offset和最佳gain的误差效果；

步骤7，将参数保存至产品FLASH的特殊区域，不受软件升级动作的影响。

上述的一种高精度ADC校准方法，其中，所述输入接口处的电压范围是0～16V，通过分压电阻转换后的电压范围是0～2.8V。

上述的一种高精度ADC校准方法，其中，所述基带芯片采用的是10位精度的基带芯片。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明计算简单、操作方便、成本低廉；综合考虑到了ADC的偏置误差、增益误差和非线性误差，从而提高了ADC的精度。

附图说明

图1是一种高精度ADC校准方法的流程图；

图2是本发明输入接口、分压电阻、基带芯片的连接示意图；

图3是本发明实施例2、实施例3的输入接口、分压电阻、基带芯片的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细介绍。

实施例1

如图2所示，本发明包括：输入接口1、分压电阻2、基带芯片3，基带芯片3采用的是10位精度的基带芯片。通过输入接口1的电压通过分压电阻2转换为更小的电压后输入到基带芯片3的ADC管脚；输入接口1处的电压范围是0～16V，通过分压电阻2转换后的电压范围是0～2.8V。

定时采集接口处的外部电压，发送含有该电压值的报文到远程服务器，利于用户监控车辆、贵重物品等设备。

将设置的输入接口处的电压记为Vset_i，将实际测得的输入接口处的电压记为Vread_i，将基带芯片的ADC管脚处的输入电压记为VAdc_i。设备实际测得的电压Vread_i与设置的理论值电压值Vset_i存在微小的差异，为了使ADC的测量更加精确，需要消除这种差异带来的影响。

将Vread_i和VAdc_i的关系用下列公式表示：Vread_i＝VAdc_i*gain+offset。

如图1所示，本发明的ADC校准方法具体包括：

先设置几组不同的输入接口处的电压值，记录为(Vset_i，i＝1～N)；分别读取不同的设置的电压值对应的设备测量出的电压值，记录为(Vread_i，i＝1～N)。

根据分压电阻的阻值和分布、以及基带芯片精度计算理论的gain值，并将offset设置为0，则Vread_i和VAdc_i的关系用下列公式表示：Vread_i＝VAdc_i*gain。

根据理论的gain值和Vread_i值计算对应的VAdc_i值。

为了得到更加精确的ADC函数，需要求取最佳gain值和最佳offset值。

假设ADC值与输入接口处的电压呈线性关系，设ADC值为x，输入接口处的电压为y，x与y的关系为：y＝a₁x+a₀(0-1)；

计算出最小误差平方和：由式(0-1)可得：Δy²＝[y-(a₀+a₁×)]²，则最小误差平方和为：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[y_i-(a_0+a_1{x}_i)\]}^2{|}_{a=\hat{a}};$

$\frac{\∂}{\∂a_0}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[y_i-(a_0+a_1{x}_i)\]}^2{|}_{a=\hat{a}}=-2\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}(y_i-{\hat{a}}_0-{\hat{a}}_1{x}_i)=0,$

$\frac{\∂}{{\∂}_{ai}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[y_i-(a_0+a_1{x}_i)\]}^2{|}_{a=\hat{a}}=2\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i\[y_i-(a_0+a_1{x}_i)\]=0;$

分别对a0和a1求偏导数，并令这两个偏导数等于零：

整理后得到正规方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{a}}_{0}N+{\hat{a}}_1\Σx_i=\Σy_i,\\ {\hat{a}}_0\Σx_i+{\hat{a}}_1\Σx_i^2=\Σx_i{y}_i\·\end{array}\right.$

解正规方程组便可求得直线参数a0和a1的最佳估计值和即

${\hat{a}}_0=\frac{(\Σx_1^2)(\Σy_1)-(\Σx_i)(\Σx_i{y}_i)}{N(\Σx_i^2)-{(\Σx_i)}^2}$

${\hat{a}}_1=\frac{N(\Σx_i{y}_i)-(\Σx_i)(\Σy_i)}{N(\Σx_i^2)-{(\Σx_i)}^2}---(0-2).$

将Vset_i值代入(0-2)式中的y_i、VAdc_i值代入(0-2)式中x_i，计算最佳gain值和最佳offset值：

最后，将参数保存至产品FLASH的特殊区域。

实施例2

计算理论gain值：

如图3所示，根据Vread_i＝VAdc_i*gain＝VAdc_i*(R224+R129+R201)/R224＝VAdc_i*6.05，求得理论gain值为6.05。

实施例3

验证最佳offset和最佳gain的误差效果：

(1)使用传统的固定分压比计算公式Vread_i＝VAdc_i*6.05，图3中的分压电阻使用的是高精度电阻，设置10组不同的电源电压值，取5台设备分别读取10组Vread_i值，结果如下：

(表一)

(2)同样如图3的分压电阻的分布，分压电阻使用非高精度电阻，取5台设备分别先通过本发明进行ADC校准后，设置10组与上述相同的电源电压值，读取10组相应的Vread_i值，电压值结果如下：

(表二)

(3)两种采样数据误差值对比：

通过表一和表二的数据计算出每台设备10组电压值的总误差的算术平方根，结果如表三所示：

(表三)

1#高精度(mv)	2#高精度(mv)	3#高精度(mv)	4#高精度(mv)	5#高精度(mv)
					68.7	150	263.6	123.8	88.4
1#校准后(mv)	2#校准后(mv)	3#校准后(mv)	4#校准后(mv)	5#校准后(mv)
					15.9	10	13	9	8.2

高精度电阻与普通电阻成本对比：

因此，本发明综合考虑到了ADC的偏置误差、增益误差和非线性误差，从而提高了ADC的精度。由表三可知，在使用低精密电阻的情况下，通过本发明方法校准后，可以使ADC依旧能够达到一个很高的精度，从而达到降低成本的目的。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种高精度ADC校准方法，其特征在于，包括：输入接口、分压电阻、基带芯片，通过输入接口的电压通过分压电阻转换为更小的电压后输入到基带芯片的ADC管脚；

将设置的输入接口处的电压记为Vset_i，

将实际测得的输入接口处的电压记为Vread_i，

将基带芯片的ADC管脚处的输入电压记为VAdc_i，

Vread_i和VAdc_i的关系用下列公式表示：Vread_i＝VAdc_i*gain+offset；

所述ADC校准方法包括以下步骤：

步骤1，设置几组不同的输入接口处的电压值，记录为(Vset_i，i＝1～N)；

步骤2，分别读取步骤1设置的电压值对应的设备测量的输入接口处的电压值，记录为(Vread_i，i＝1～N)；

步骤3，根据分压电阻的阻值、分布以及基带芯片精度计算理论的gain值，将offset值设置为0，则Vread_i和VAdc_i的关系用下列公式表示：Vread_i＝VAdc_i*gain；

步骤4，根据步骤3的公式和Vread_i值计算对应的VAdc_i值；

步骤5，通过下列公式，根据Vset_i值、VAdc_i值计算最佳gain值和最佳offset值，

$offset=\frac{\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i^2\right)\left({\mathrm{\ΣVset}}_i\right)-\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i\right)(\mathrm{\Σ}VAdci*{\mathrm{Vset}}_i)}{N\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i^2\right)-{\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i\right)}^2}$

$gain=\frac{N({\mathrm{\ΣVAdc}}_j*{\mathrm{Vset}}_i)-\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i\right)\left({\mathrm{\ΣVset}}_i\right)}{N\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i^2\right)-{\left({\mathrm{\ΣVAdc}}_i\right)}^2};$

步骤6，验证最佳offset和最佳gain的误差效果；

步骤7，将参数保存至产品FLASH的特殊区域。

2.根据权利要求1所述的一种高精度ADC校准方法，其特征在于，所述输入接口处的电压范围是0～16V，通过分压电阻转换后的电压范围是0～2.8V。

3.根据权利要求1所述的一种高精度ADC校准方法，其特征在于，所述基带芯片采用的是10位精度的基带芯片。

4.根据权利要求1所述的一种高精度ADC校准方法，其特征在于，所述分压电阻为普通电阻。