在DS1863/DS1865上使用內(nèi)部校準和右移增強ADC性能

本應(yīng)用筆記討論了DS1863/DS1865控制器/監(jiān)測芯片的內(nèi)部校準和右移（可擴展動態(tài)量程）如何使應(yīng)用受益。本文解釋了如何實現(xiàn)內(nèi)部校準和右移，并提供了一個示例來說明該過程。

介紹

DS1863和DS1865控制器/監(jiān)測器件采用內(nèi)部校準和右移（可擴展動態(tài)量程），大大增強了內(nèi)部13位ADC，在不增加成本和尺寸的情況下，提供更高的精度和準確度。此外，DS1863/DS1865的內(nèi)部校準具有可編程標度和可編程失調(diào)功能，無需大多數(shù)（如果不是全部）外部信號調(diào)理電路。通過在ADC之前的模擬域中進行可編程縮放，輸入信號被縮放以使用ADC的整個范圍。然后，在數(shù)字域中，可以使用右移將數(shù)字輸出分回去，以便所需的（或SFF-8472規(guī)定的）LSB不受影響，甚至對用戶透明。

模擬監(jiān)視器輸入

DS1863/DS1865 MON輸入框圖如圖1所示。為清楚起見，僅說明了一個輸入，盡管這些概念適用于所有四個 MON 輸入（MON1、MON2、MON3 和 MON4）。MON輸入用于監(jiān)控發(fā)射功率和接收功率等信號。

圖1.DS1863/DS1865上的MON輸入框圖

如圖1所示，單端電壓施加于DS1863/DS1865 MON引腳。在模擬域中，電壓被饋入可編程刻度塊。該刻度塊可以校準MON通道，以實現(xiàn)所需的LSB或滿量程電壓。滿量程電壓是所需的LSB × 2n，其中 n 是位數(shù)。此外，比例塊可以在內(nèi)部獲得小輸入信號，以最大限度地利用ADC。稍后將更詳細地介紹此過程。

比例塊之后是13位ADC。13 位轉(zhuǎn)換以 2 字節(jié)（16 位）值左對齊輸出。ADC可以輸出0000h至FFF8h的數(shù)字值。

在ADC之后，數(shù)字化信號通過用戶可編程數(shù)字偏移進一步調(diào)整。該數(shù)字偏移可用于通過簡單地執(zhí)行數(shù)字加法在內(nèi)部添加正或負偏移。需要注意的是，正偏移將鉗制在FFF8h的數(shù)字值上;負偏移的滿量程數(shù)字值將小于FFF8h（因為負偏移從轉(zhuǎn)換中減去）。在這種情況下，最小數(shù)字值將被鉗位在0000h。有關(guān)數(shù)字偏移的詳細信息將在后面的“偏移寄存器”部分中提供。

右移是數(shù)字值輸出前的最終操作。每個 MON 輸入具有三個位，用于控制所需的右移位數(shù)。（右移的好處將在后面討論。將三位設(shè)置為零將禁用右移功能。與偏移一樣，右移也會影響滿量程數(shù)字輸出。例如，如果設(shè)置為兩個右移，滿量程數(shù)字輸出將變?yōu)?3FFEh。執(zhí)行移位后，該值將寫入用戶讀取轉(zhuǎn)換的相應(yīng)寄存器（較低內(nèi)存，寄存器64h-6Bh）。這也是用于警報和警告比較的值。

關(guān)于密碼訪問的說明

四個MON輸入的電平和失調(diào)值設(shè)置見DS02/DS1863的表1865h。若要讀取或?qū)懭脒@些值，需要級別 2 密碼訪問 （PW2）。如果在密碼條目字節(jié)中輸入PW2級別條目的密碼（PWE位于較低內(nèi)存中，寄存器7Bh-7Eh），則授予此訪問權(quán)限。

工廠校準的 MON 輸入

DS1863/DS1865 MON輸入均經(jīng)過工廠調(diào)整至2.5V滿量程電壓。此外，每個數(shù)字失調(diào)在工廠編程為零，因此0V輸入將輸出0000h的數(shù)字值。右移出廠默認值也是 0。工廠校準的DS1863/DS1865的傳遞函數(shù)如圖2的圖B所示，稍后將介紹。

工廠調(diào)整的器件將輸出 8192 個數(shù)字值之一，輸入電壓范圍為 0 至 2.5V，305 位轉(zhuǎn)換的分辨率為 2μV （5.8192V/13）。理想情況下，要數(shù)字化的輸入信號是0至2.5V信號，以便利用整個范圍。但是，在實際應(yīng)用程序中，情況并非總是如此。例如，對于接收電源（Rx Power），0至.5V的電壓是常見的，這意味著80%的數(shù)字輸出代碼永遠不會被使用。因此，能夠生成13個代碼的8192位ADC將僅輸出1638個代碼中的一個。其余 6554 個數(shù)字代碼將永遠不會使用。此外，在使用1638個代碼中，分辨率保持在305μV。

為了更好地利用13位ADC，必須將DS1863/DS1865 MON值重新校準至0.5V滿量程電壓。然而，僅重新校準MON值并不能解決輸入信號問題，因為LSB會發(fā)生變化，不再與所需的LSB匹配。最終，為了從ADC獲得最大性能，必須使用右移來調(diào)整比例和失調(diào)值。

內(nèi)部校準和右移

當(dāng)要監(jiān)控的信號很小，因此不使用整個ADC范圍時，內(nèi)部校準和右移是有益的。通過在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前放大模擬域中的信號，然后將其除以數(shù)字域中的相同因子，可以保留所需的LSB。每右移一次（最多三），精度和準確度都會提高兩倍。經(jīng)過三次右移后，精度或準確度不會進一步提高。

使用內(nèi)部校準和右移的好處可以在圖2所示的例子中得到最好的說明。圖A是要監(jiān)控的示例信號的電壓與時間的關(guān)系圖。示例信號在0至0.5V之間擺幅。圖B和C表示MON輸入電壓與數(shù)字輸出的關(guān)系。后面的曲線分別顯示了工廠校準的傳遞函數(shù)、使用兩個右移位的示例傳遞函數(shù)和 2.5V/4 = 0.625V 的滿量程電壓。0.625V的滿量程電壓意味著浪費的代碼更少，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換比2.5V滿量程電壓大四倍，但隨后又被四倍（兩個右移）分頻。下面將討論確定右移位數(shù)以及滿量程電壓。這里使用兩個右移只是為了比較右移示例與不右移。所使用的設(shè)備設(shè)置以及與每個傳遞函數(shù)相關(guān)的計算顯示在每個相應(yīng)的傳遞函數(shù)下方。

圖2.數(shù)據(jù)說明了無右移位 （B） 與右移位 （C） 之間的比較。

圖 2 中的所有三個圖都在同一 y 軸和刻度上并排顯示?？梢栽谳斎胄盘枺▓DA）和每個傳遞函數(shù)上的任何特定點上繪制一條水平線，以便對數(shù)字輸出進行粗略的近似。如果返回到0至0.5V的示例輸入信號，其中0.5V由所有三個圖的粗體水平線表示，則通過比較圖B和C可以看出右移的好處。當(dāng)ADC的輸入范圍跨越的電壓范圍遠大于輸入信號范圍時，將浪費許多步長（見圖B）。1638 個中僅使用 8192 個;B地塊中剩余的80%被浪費了。相比之下，圖C顯示，通過在內(nèi)部校準到較小的滿量程電壓并使用右移，精度提高了?，F(xiàn)在，6554個數(shù)字代碼中的8192個用于對信號進行數(shù)字化。此外，右移后，保持所需的LSB。右移對用戶是透明的。這可以通過觀察兩個圖輸出大致相同的數(shù)字值來驗證。

確定需要多少次右移

應(yīng)用所需的右移次數(shù)是滿量程電壓（內(nèi)部校準）以及用于給定輸入信號的數(shù)字代碼百分比的函數(shù)。如果輸入信號的最大電壓已知（除了滿量程電壓之外），則可以計算出預(yù)期的數(shù)字輸出。否則，在工程評估期間需要“動手”方法，以確定數(shù)字輸出的范圍，從而確定理想的正確換檔次數(shù)。動手方法詳述如下。

將右移位設(shè)置為 0。

在內(nèi)部校準器件以產(chǎn)生所需的LSB，這將決定初始滿量程電壓。（本應(yīng)用筆記稍后將討論此過程。

應(yīng)用最大輸入信號并讀取相應(yīng)的數(shù)字輸出以確定使用范圍。

確定使用的ADC范圍的百分比。如果數(shù)字讀數(shù)超過7FFFh，則不應(yīng)使用右移（零右移）。但是，如果數(shù)字讀數(shù)小于7FFFh，則至少可以使用一個右移位。如果數(shù)字讀數(shù)小于3FFFh，則可以使用兩個右移，依此類推。表 1 對此進行了總結(jié)。

表 1.用于各種輸出范圍的右移位數(shù)

為了補償右移導(dǎo)致的數(shù)字值的劃分，必須在模擬域中添加增益，以保持所需的LSB。該增益的相加方法是使用以下公式計算新的滿量程電壓：

新滿量程電壓 = 初始滿量程電壓/2# 右移位

因此，如果步驟2的內(nèi)部校準導(dǎo)致滿量程電壓為2.0V，并且如果數(shù)字讀數(shù)大于1FFFh但從未超過3FFFh，則兩次右移將是理想的。因此，本例的新滿量程電壓為2.0V/22= 0.5V。

在內(nèi)部校準通道（右移位仍設(shè)置為0）至新的滿量程電壓。

將正確的移位設(shè)置為其新值。

一旦評估確定了特定應(yīng)用的理想右移位數(shù)和滿量程電壓，只需步驟1、6和7即可進行生產(chǎn)校準。

內(nèi)部校準和右移寄存器

DS1863/DS1865器件寄存器負責(zé)每個模擬通道的內(nèi)部校準和右移設(shè)置，如表2所示。顯示每個 MON 通道設(shè)置的寄存器地址以及 V抄送.V抄送為完整起見，已包含在表中，但本應(yīng)用筆記將不作討論。數(shù)字轉(zhuǎn)換的位置也包含在表中，以顯示其相對位置。請注意，刻度、偏移和右移寄存器位于存儲器表02h中（不要與本應(yīng)用筆記的表2混淆）。內(nèi)存表02h是通過將02h寫入表中選擇下內(nèi)存中的字節(jié)來選擇的，寄存器7Fh。

表 2.DS1863/DS1865內(nèi)部校準和右移寄存器

刻度寄存器

刻度寄存器是一個雙字節(jié)值，通過調(diào)整輸入開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)來確定特定監(jiān)控通道的增益/衰減量。因此，刻度寄存器允許用戶將滿量程電壓校準到~250mV至6.5536V之間的任何所需值。由于工藝變化和最終應(yīng)用的不同要求，必須校準該寄存器。此校準和確定要寫入秤寄存器中的值的過程將在后面的“如何內(nèi)部校準”部分中提供。

注意：校準DS1863/DS1865時，了解失調(diào)和右移寄存器的值非常重要。否則，如果這些值不為零且未補償，則不會按預(yù)期校準設(shè)備。

偏移寄存器

失調(diào)寄存器是一個雙字節(jié)值，用于確定應(yīng)用于每個受監(jiān)控輸入的數(shù)字偏移量。DS1863/DS1865的失調(diào)是轉(zhuǎn)換值的簡單數(shù)字加法或減法。因此，一旦比例被修剪到所需的值（并且在啟用右移之前），就可以對偏移進行編程，以消除任何偏移或移動范圍。

偏移量的計算方法是首先確定應(yīng)添加或減去多少計數(shù)。通常完成此操作的一種方法是應(yīng)用零輸入（例如激光關(guān)閉），然后讀取轉(zhuǎn)換。此過程將產(chǎn)生您從所有轉(zhuǎn)化中減去的值。

需要寫入失調(diào)寄存器的值是通過在公式1中插入所需計數(shù)來計算的：

示例1：如果輸入電壓參考地以外的基準電壓源，則可以從測量值中減去該基準電壓源。假設(shè)當(dāng)我們將引用應(yīng)用于 MON 輸入時，讀取計數(shù)為 200 （C8h）。您可以使用偏移寄存器從模數(shù)轉(zhuǎn)換中減去 200 （C8h） 以將其歸零。使用等式確定要寫入寄存器的內(nèi)容：

請記住，在這種情況下正在執(zhí)行減法，因此滿量程計數(shù) （FFF8h） 也將減少 C8h，從而得到新的滿量程計數(shù) FF30h。

示例 2：假設(shè)您要向讀數(shù)添加 200 個計數(shù)。這將產(chǎn)生以下等式：

要計算新的滿量程計數(shù)，您需要（嘗試）將 C8h 添加到 FFF8h。但是，F(xiàn)FF8h是最大可能的讀數(shù)，因此滿量程計數(shù)將保持FFF8h。較低的計數(shù)不是 00h，而是 C8h，因為此偏移量將添加到所有讀數(shù)中。

示例 3：計算零偏移的偏移值：

這也是偏移寄存器的出廠默認設(shè)置。

右移寄存器

右移寄存器見表02h，寄存器8Eh-8Fh。由于 MON1 至 MON4 最多可以執(zhí)行 1 個右移位，因此每個 MON 輸入需要 2 位。MON02 和 MON8 的設(shè)置位于表 3h，寄存器 4Eh，而 MON02 和 MON8 的設(shè)置駐留在表 1h 中，寄存器 00Fh。有關(guān)位的位置，請參閱數(shù)據(jù)手冊（或上面的表<>）中的存儲器圖。這些EEPROM寄存器的出廠默認值為<>h，禁用右移。

為了說明進一步右移的結(jié)果，圖3顯示了生成的MON值的幾個示例。

圖3.MON寄存器右移的示例。

如何進行內(nèi)部校準

本應(yīng)用筆記討論了二叉搜索方法。該算法的輸出是標度和偏移寄存器值，它們產(chǎn)生所需的傳遞函數(shù)，即所需的LSB。

要使用該算法，必須能夠做兩件事：將激光設(shè)置為兩種不同的強度，例如最小和接近最大值（約 90%）;并能夠經(jīng)歷多次迭代。對于非光學(xué)應(yīng)用，必須根據(jù)命令對MON輸入施加兩種不同的電壓。本應(yīng)用筆記中提供的算法使用最大值的90%，因此可以進行“>”比較。但是，當(dāng)應(yīng)用所需滿量程的百分比時，計算數(shù)字值的相應(yīng)百分比也很重要。

偽代碼示例

用于查找刻度的二叉搜索的解釋最好通過以下偽代碼示例提供。

/* Assume that the null input is 0.5V */
/* Assume that the desired LSB of the lowest weighted bit is 50μV */

	Max Reading = 65535 x 50e-6		/* 3.27675 */
	CNT1 = 0.5 / 50e-6 			/* 10000 */
	CNT2 = 0.90 x FS / 50e-6 		/* 58981.5 */

/* The null input is 0.5V and the 90% of FS input is 0.9*3.27675 = 2.949075V */
	Set the trim-offset-register to zero
	Set Right Shift register to zero (typically zero. See Right Shifting section above..)
	Scale_result = 0h
	Clamp = FFF8h/2Right_Shift_Register


	For n = 15 down to 0,
	Begin
		scale_result = scale_result + 2n
		Force the 90% FS input (2.949075V)

		Meas2 = read the digital result from the part
		If Meas2 >= Clamp then
			scale_result = scale_result – 2n
		Else
			Begin
				Force the null input (0.5V)
				Meas1 = read the digital result from the part
				If (Meas2 – Meas1) > (CNT2 – CNT1) then
					scale_result = scale_result – 2n
			End
End
Set the Scale register to scale_result

刻度寄存器現(xiàn)已設(shè)置，轉(zhuǎn)換分辨率將最好地匹配預(yù)期的LSB。下一步是校準DS1863/DS1865的失調(diào)。將正確的刻度值寫入刻度寄存器后，再次強制將零輸入輸入到引腳。讀取零件的數(shù)字結(jié)果（Meas1）。失調(diào)可以通過使用CNT1作為公式1中的輸入來計算。

偽代碼的解釋

該算法首先將偏移和右移寄存器設(shè)置為已知狀態(tài)，即零偏移和零右移。盡管此示例將兩個寄存器都設(shè)置為零，但只要對它們進行補償，就可以使用其他值。例如，當(dāng)從編程偏移開始時，F(xiàn)FF8h可能不再是箝位的滿量程數(shù)字值。（請參閱偏移寄存器部分。除了初始化寄存器外，該算法還首先計算一些重要常數(shù)，這些常數(shù)是所需LSB的函數(shù)。

刻度值的二叉搜索首先將刻度寄存器設(shè)置為半刻度 8000h。然后，通過將90%最大輸入施加到要校準的MON通道，然后讀取相應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)換來測試刻度值。此轉(zhuǎn)化值稱為 Meas2。檢查 Meas2 以查看它是否被鉗位，F(xiàn)FF8h（因為偏移和右移為零）。如果讀數(shù)被箝位，則無法斷定轉(zhuǎn)換實際上是FFF8h還是更大（也是FFF8h）。無論哪種方式，比例設(shè)置都太高。在二叉搜索方式中，刻度值被切成兩半，并重復(fù)該過程，直到找到非夾緊刻度值。

一旦找到非鉗位Meas2，算法就會通過強制零輸入并讀取其數(shù)字轉(zhuǎn)換來繼續(xù)。此轉(zhuǎn)換變?yōu)?Meas1。最后，計算Meas2和Meas1之間的增量，并使用算法開始時計算的常數(shù)與所需的增量（CNT2 - CNT1）進行比較。如果 Meas2 - Meas1 大于 CNT2 - CNT1，則刻度再次減半。否則，如果 Meas2 - Meas1 小于 CNT2 - CNT1，則通過將刻度切成兩半來增加刻度，這次將其添加到當(dāng)前刻度中。該過程將重復(fù)，直到總共執(zhí)行 16 次迭代。結(jié)果是一個 16 位值，可產(chǎn)生所需的比例（和所需的 LSB）。

還有另一種可視化秤校準過程的方法。從 15 位刻度寄存器的 MSB （b16） 開始，將位設(shè)置為 1（所有其他位最初設(shè)置為 0）。當(dāng)MSB = 1時，執(zhí)行施加模擬輸入和讀取數(shù)字輸出的過程。如果讀數(shù)被鉗位，則刻度過高，MSB寫回0。否則，MSB 仍為 1。MSB現(xiàn)已為人所知?，F(xiàn)在這個過程進入下一個位，b14。將 b14 設(shè)置為 1（將 b15 設(shè)置為已確定的內(nèi)容）。向下到 b13 的位 0 仍然是 0?，F(xiàn)在完成該過程以確定增益是否仍然太高。如果是這樣，則 b14 變?yōu)?0。否則，它將變?yōu)?1。然后，該過程逐位繼續(xù)，直到確定所有 16 位。結(jié)果再次是一個 16 位值，它產(chǎn)生所需的比例。

一旦達到所需的刻度，就可以校準新的偏移量，或者可以將刻度保持在 0（無偏移）。校準方法取決于如何使用偏移特征。產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中算法附帶的說明假設(shè)用戶希望應(yīng)用負偏移來使數(shù)字讀數(shù)為零，以便零模擬輸入將產(chǎn)生所有零輸出。只需應(yīng)用零模擬輸入并讀取轉(zhuǎn)換即可完成此操作。如果零輸入（例如激光關(guān)閉）產(chǎn)生數(shù)字輸出，例如20h，則可以對偏移進行編程，以便從每次轉(zhuǎn)換中數(shù)字減去20h。在本例中，將20h代入失調(diào)公式，然后將結(jié)果編程到所需MON通道的失調(diào)校準寄存器中。

內(nèi)部校準和右移示例

以下示例旨在最好地演示本應(yīng)用筆記中介紹的概念。

在此示例中，MON3 用于監(jiān)視 Rx 電源。當(dāng)施加 -40dBm 的最小輸入時，MON10 引腳的電壓為 3mV。該輸入所需的數(shù)字輸出為0000h。當(dāng)施加0dBm輸入時，MON300提供3mV。在這種情況下，所需的數(shù)字輸出為2710h，選擇滿足SFF-8472規(guī)定的LSB（Rx功率的LSB為0.1μW）。

在本例中，確定理想的右移次數(shù)相對簡單，因為已經(jīng)給出了所需數(shù)字輸出的范圍（0000h-2710h）。使用上面的表 1，理想的右移次數(shù)是 2710。為了使300h成為兩次右移后的最終輸出，我們可以得出結(jié)論，在右移之前，9mV的輸入必須導(dǎo)致40C9h的轉(zhuǎn)換。因此，對于40mV的輸入，內(nèi)部校準將用于“增益”轉(zhuǎn)換至300C3h。一旦失調(diào)的內(nèi)部校準和編程完成，將啟用兩個右移。表 <> 總結(jié)了我們的示例。

表 3.內(nèi)部校準和右移示例

一旦確定了輸入和輸出之間的關(guān)系（如表3所示），數(shù)據(jù)手冊中提供的內(nèi)部校準程序?qū)⒂糜趯ζ骷M行內(nèi)部校準。例程首先執(zhí)行一些初步計算，如下所示。請注意，此處未使用數(shù)據(jù)手冊例程中顯示的90%，因為第二個校準點（300mV = 9C40h）已經(jīng)小于滿量程值的90%。

給定表 3，進行以下計算：

LSB = （0.300V – 0.010V）/（9C40h – 0000h） = 0.290V/40，000 = 7.25μV

最大讀數(shù) = LSB x 65535 = 7.25μV x 65535 = 0.475128V

CNT1 = 0.010/LSB = 1379.3 => 1379（十進制）

CNT2 = 0.300/LSB = 41379.31 => 41379（十進制）

CNT1 和 CNT2 是應(yīng)用兩個校準點時的預(yù)期（所需）數(shù)字輸出。內(nèi)部校準例程將迭代，搜索盡可能接近由這兩個值確定的斜率的斜率。

例程的迭代部分經(jīng)歷了 16 個周期，以二叉搜索方式對斜率進行編程，然后檢查它是否等效于所需的斜率。在本例中，DS1863/DS1865采用內(nèi)部校準程序進行校準;所有 16 次迭代的輸入和輸出如表 4 所示。

表 4 的第一列“迭代”等效于例程中的 n。列scale_result是每次迭代編程到Scale寄存器（設(shè)備表02h，寄存器98-99h）中的值。Meas2和Meas1列是從器件讀取的數(shù)字值，分別施加300mV和10mV輸入。最后，對于Meas2沒有鉗位的迭代，將Meas2 - Meas1與CNT2 - CNT1進行比較。如果 Meas2 - Meas1 大于 CNT2 - CNT1，則scale_result太大。對應(yīng)于該迭代的 Scale 位變?yōu)榱?，這反過來又決定了連續(xù)迭代的scale_result。完成所有 16 次迭代后，Scale 值就已知了。此示例中使用的設(shè)備導(dǎo)致縮放值為 5038h。

表 4.實際內(nèi)部校準值

從表 3 中，我們看到迭代 3 中達到了最小增量（其中 Meas2 - Meas1 和 CNT2 - CNT1 都在 40000）。用戶可以在算法中添加一個變量，用于檢查在哪個迭代時達到最小增量，然后將該迭代的scale_result值用作 Scale 寄存器的值，而不是最終值。

將器件編程為其新的標度值時，通過強制10mV（我們想要讀取0000h的電壓）并讀取數(shù)字結(jié)果來確定偏移量。本例中使用的器件輸出值為0558h，施加10mV。使用偏移公式（公式 1），偏移計算如下：

MON3 偏移量 = -（-0558h/4） = 0156h

最后，新的鉗位值可以計算為：

新鉗位值（右移前）= FFF8h - 0558h = FAA0h

內(nèi)部校準完成后，通過向表20h寫入02h，寄存器8Fh來啟用兩個右移位。

結(jié)論

DS1863/DS1865的內(nèi)部校準和右移功能提供了最大的靈活性，使器件適合各種應(yīng)用。本應(yīng)用筆記提供了DS1863/DS1865數(shù)據(jù)資料中沒有的信息，特別是為什么內(nèi)部校準和右移是有益的，以及如何實現(xiàn)它們。本文還提供了一個動手示例，將概念關(guān)聯(lián)在一起，并顯示內(nèi)部校準過程中從DS1863/DS1865讀取的實際數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷