数据转换器 [使用自校准来改善超高速数据转换器的性能]

　　摘要：在宽阔温度范围下，自校准功能对于器件性能的发挥极重要。本文将为系统设计人员讲解如何应用自校准功能。在相关产品的数据表已包含有关自校准功能的描述。 　　关键词：自校准；超高速；数据转换器；温度传感器
　　
　　自校准方法
　　
　　由于校准对于状态性能很重要，所以器件在每次上电后均要即时执行自校准。另外，器件亦可容许用户根据需要以手动形式执行自校准工作。一般来说，这顶功能会在当系统温度超出原先系统设计所订立的阈值时启动。既然器件自身的温度会影响其性能发挥，那么可以加上一个片上二极管并把它连接到外部温度传感器。这样便可有效地监视器件的温度。美国国家半导体(NS)NS公司的ADC08系列ADC(模/数转换器)的采样能力均达到了每秒千兆位级，例如集成精密自校准电路的ADC08D1500；温度传感器推荐采用LM95221(或类似的器件)。
　　不论是上电还是手动，校准过程均需大约1～2ms才能完成，时间长短视时钟频率和器件的规格(这方面的数据请参考器件的数据表和在本文中所提及的参数)。另外，在上电模式时，器件会在自校准过程前插入一个较长的延迟。根据用户的设定，这个延迟可能相对地短(几十ms)或长(几s)。延迟的目的是稳定电源和其他变化。不过，当器件被配置成扩展控制模式时，便不可使用较长的延迟(即经串行介面来配置)。
　　
　　CalRun引脚可指示器件是处于自校准模式或通常工作模式。
　　
　　执行自校准功能
　　
　　我们必须认识到自校准是器件“正常”运行的一部份。因此，器件的运行条件在校准时应该尽量接近“正常”运行时的条件和稳定性。换句话说，电源、温度和所有输入均应稳定地处于数据表内“运行额定值”部分中所列出的条件范围内。要想获得较大的校准精度，就必须使校准时的运行条件尽量与其正常运行时的条件相近。
　　为了获得稳定的运行条件，需加入一定程度的时间延迟。系统设计工程师必须决定这个延迟一可以从大约1～2s至几十s。正如本文第二部份所述，器件拥有内建的校准延迟功能。假如系统需动用较长的延迟，那么CAL输入引脚便可以用来进一步延迟校准周期的起始时间。这个操作很简单，用户只需在上电时将CAL引脚保持在高位，直至获得所需的延迟为止。CAL引脚再一次从低循环到高前，器件将会一直保持等待状态，之后才会启动上电校准周期。
　　CAL的输入“低一高周期”所需的时间可以在数据表中的交流电气特性表中找到。除了一些阻碍校准发生的因素外，这种方法不会干扰到器件的其他特性。虽然这延迟是通过CAL输入来产生，但仍可考虑成是在获得正静性能前必须进行的上电校准。
　　为了获得精确的校准，必须把关键的变量稳定下来。除了环境条件(电源和温度)外，器件的其他运行条件也必须被稳定下来。以下是一些具体的要求：
　　时钟输入必须被稳定(这包括没有执行DCLK_RST)；
　　模拟输入处于指定的范围内(可在运行额定值部份中找到)，但频率则没有关系一包括直流；
　　当校准在执行期间，绝不能干扰控制/配置的设置；
　　对于ADC08D500/1000/1500来说，器件必须处于正常模式(不是DES模式)，而不限于ADC08D1020/1520和ADC083000/B3000；
　　控制寄存器绝不可被访问，即使SCLK正在生效；
　　当开始校准时，器件不应处于节电模式；当校准在进行时亦不应进入节电模式。
　　
　　自校准时的器件特性
　　
　　除了明显的信号处理路径中断外，器件在校正期间会出现其他的效应。
　　数字输出会失效；
　　系列中某些器件的DCLK输出亦会失效。
　　器件的DCLK输出一般都只用来采集数据。由于DCLK输出可能会中断，所以ASIC或FPGA在其逻辑超出采集逻辑时，就不能再以DCLK输出作为时钟信号。可是，对于那些必须把DCLK用作通用时钟的应用来说，部分新的器件可为用户提供适当的控制，以使能在校准期间继续保持DCLK的运行。然而，这种做法的代价是当DCLK仍在生效时，模拟输入终端电阻(Rterm)便不能被校准，Rterm的数值就会略微失准。因此，在上电校准时最好不要采用这种方法，但可以在随后的手动校准周期中使用这种方法。
　　在ADC08D1020/1520和ADC083000/B3000内，扩展配置寄存器中的电阻调节失效(RTD)位会决定是否让DCLK在校准期间停止。这个位的预设状态(在上电时)是停止DCLK，同时在校准期间调节Rterm。在上电校准时，必须将这个位保持在预设状态，并且预期DCLK会于校准期间停止。然后，用户可以清除这个位，以便在随后的手动校准周期执行时保持DCLK的运行。
　　
　　性能效应
　　
　　数据表中列出的器件性能是以器件在测量时得到适当的校准为前提的。对于任何的电子电路，假如环境条件在校准后出现变化，那么器件均有可能出现某种程度的性能降级。在校准后，最常见的性能影响参数是温度。所以，当温度的变化超出某阈值时，便应执行手动自校准。这阈值可以由系统设计人员于设计过程中去决定。NS公司不对任何温度变化导致的未校准系统性能降级作出保证。不过，从下列部分观察数据可能对用户有所帮助。
　　1　在55℃(45℃～100℃的裸片温度)的温度范围内，可看见器件的ENOB性能降级了0.35位；
　　2　在80℃(20℃～105℃的裸片温度)的温度范围内，发现有2％的增益误差。
　　3　假如用户在校准期间启动DCLK，并且上电校准后Rterm没有被校准，那么Rterm的数值便会单单因温度效应而发生改变。预计在120℃(从0℃到+120℃的裸片温度)的温度范围内，Rterm将出现总共1％的变化。
　　根据上述部分数据，可以推断在触发校准周期时，一个合理的温度方差阈值必须处于最多20℃～30℃的范围内。
　　
　　结语
　　
　　自校准是千兆位采样的8位ADC的强大功能。用户可通过器件提供的灵活性来让器件在较大的温度范围内发挥可靠的性能。通过维持器件的温度反馈，用户可巧妙的调节采样性能，从而令ADC获得良好的精度。在众多设计方案寻求更佳性能的设计方案中，自校准无疑可为器件带来更佳的热性能表现。