Смещение нуля и погрешность наклона

Смещение нуля и погрешность наклона могут быть достаточно просто откалиброваны с помощью микроконтроллера или цифрового сигнального процессора. В биполярной системе смещение нуля сдвигает характеристику преобразования (Рис.1.2), но не уменьшает числа возможных кодов. Есть два метода устранения ошибки в биполярной системе. В первом характеристика преобразования смещается по оси х и оси у так, чтобы совместить отрицательный конец характеристики преобразования с расчетным значением (Рис.1.3а). При этом устраняется смещение нуля, а затем поворотом характеристики вокруг нового нуля обеспечивается коррекция наклона.

Рис.1.2

Второй метод реализуется итерационно. Сначала подается нулевое напряжение на вход АЦП и определяется смещение нуля в биполярной системе. Затем выполняется коррекция наклона характеристики (Рис.1.3b). Необходимо отметить, что при изменении наклона характеристика вращается вокруг точки А (отрицательного конца характеристики преобразования), при этом нулевая точка смещается относительно желаемого положения. Для устранения смещения требуется повторение процедуры коррекции смещения нуля.

Рис.1.3а

Рис.1.3b

В однополярной системе немножко сложнее. Если смещение положительно, то можно использовать методологию двухполярной системы. Отличие здесь в том, что при калибровке теряется часть динамического диапазона АЦП (Рис.1.4). Если же смещение отрицательно, измерить его простым преобразованием нулевого сигнала невозможно, ведь при подаче любого отрицательного напряжения АЦП выдаст нулевой код. Для определения отрицательного смещения необходимо медленно повышать напряжение и засечь тот момент, когда код начнет изменяться. И в этом случае часть динамического диапазона будет потеряно.

Возвращаясь к нашему примеру можно рассмотреть два примера:

· Если смещение нуля +8 мВ при опорном напряжении 2,5 В, это соответствует 13 LSB для 12-разрядного АЦП. Хотя разрешение остается 12-разрядным, необходимо вычитать 13 единиц из результата каждого преобразования, чтобы компенсировать смещение нуля, и реальная шкала для этого преобразователя составляет в этом примере 2,5В·(4083/4096)=2,492В. Любое выходящее за этот предел напряжение находится вне динамического диапазона АЦП. Т.о. динамический диапазон АЦП будет сужен. Это явление еще более важно для АЦП с высоким разрешением; 8 мВ составляет 210 единиц младшего разряда для 16-разрядного АЦП (при опорном напряжении 2,5 В).

· Если смещение нуля -8 мВ при однополярном входе, тогда преобразование малых напряжений в области нуля не будет регистрироваться при преобразовании до тех пор, пока аналоговый входной сигнал не превысит +8 мВ. Это также сужает динамический диапазон АЦП.

Рис.1.4

Рис.1.5

Ошибка наклона характеристики определяется как ошибка полной шкалы минус смещение нуля (Рис.1.5). Ошибка полной шкалы измеряется в месте последнего изменения выходного кода на характеристике преобразования при ее сравнении с идеальной характеристикой преобразования АЦП. Ошибка наклона легко корректируется программно по линейной модели у=(m₁/m₂)x, где m₁ – наклон идеальной характеристики, а m₂ – наклон реальной измеренной характеристики (Рис.1.5).

Ошибка наклона в спецификации может включать, а может и не включать погрешности, вносимой опорным напряжением. При анализе спецификаций важно учитывать условия, при которых параметры определяются, в частности выполнялось ли определение при внешнем или внутреннем источнике опорного напряжения. Обычно погрешность наклона гораздо хуже при ее измерении с внутренним источником опорного напряжения. Если погрешность равна нулю, при подаче напряжения полной шкалы (Рис.1.6) на выходе код должен содержать одни единицы (3FFh для 12-разрядного примера). Поскольку реальный АЦП далек от идеального, можно получить все единицы в результате преобразования большего, чем напряжение полной шкалы, (при отрицательной ошибке наклона) или меньшем напряжении (при положительной ошибке шкалы). Есть два пути исправления ошибки наклона: либо изменить опорное напряжение так, чтобы он давал правильную шкалу, либо использовать программную коррекцию по линейной модели (или соответствующей таблице) для изменения наклона характеристики преобразования.

Так же как в случае смещения, ошибка наклона приводит к потере части динамического диапазона. Для примера, если на вход подается напряжение полной шкалы и на выходе вырабатывается код 4050 вместо расчетного 4096 (для 12-разрядного преобразователя), это определяется как отрицательная ошибка наклона и в этом случае верхние 46 кодов использованы не будут. Подобным образом, если максимальный код 4096 появится при подаче на вход напряжения меньшего, чем напряжение полной шкалы, динамический диапазон АЦП снова уменьшается (см. рис.1.6). Отметим, что при положительной ошибке полной шкалы, АЦП нельзя откалибровать за пределами напряжения, где АЦП дает код всех единиц.

Рис.1.6

Простейший путь справиться с погрешностью наклона и смещением нуля – найти АЦП с настолько низкими погрешностями, чтобы их не нужно было калибровать. В частности, найти 12-разрядный АЦП с погрешностью наклона и смещением меньше 4 LSB, что не составляет никакого труда.

Другие источники погрешности