ADC Gain and Offset Error Calibration on ARM® Cortex®-M0+ Based MCUs

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驰攸优尤
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1 基于 Arm Cortex -M0+ 的 MCU 上的 ADC 增益误差和失调误差校准简介本技术简介对 ADC 中的增益误差和失调误差进行了简要介绍它还介绍了一种在带有 Arm Cortex - M0+ 内核的 SAM 系列单片机 (MCU) 中校准增益误差和失调误差的方法在 SAM Cortex -M0 + MCU 中,ADC 增益和失调误差可通过硬件进行补偿, 从而降低了补偿这些 ADC 误差的应用开销适用的 MCU 所有 SAM Cortex-M0 + MCU,SAM C21 器件中的 Σ-Δ ADC(Sigma Delta ADC,SDADC) 除外 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 1

2 目录简介失调误差增益误差使用两点校准方法校准失调和增益误差相关资源... 9 Microchip 网站变更通知客户服务...10 客户支持 Microchip 器件代码保护功能法律声明商标...11 DNV 认证的质量管理体系...12 全球销售及服务网点 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 2

3 失调误差 1. 失调误差 ADC 失调误差被定义为第一次理想编码跳变与第一次实际编码跳变之间的偏差第一次理想编码跳变发生在 0.5 LSB 处如果输入电压小于 0.5 LSB 时输出代码大于零, 则 ADC 产生正失调误差如果输入电压大于 0.5 LSB 时发生第一次输出编码跳变, 则 ADC 产生负失调误差正负失调误差均限制了 ADC 的可用范围如果正失调误差较大, 会导致 ADC 在输入电压达到上限值之前就达到饱和对于小输入电压, 如果负失调误差大, 则会导致 ADC 输出编码为零有关更多信息, 请参见 Microchip 开发人员帮助网站上的 ADC 失调误差页 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 3

4 增益误差 2. 增益误差增益误差被定义为补偿失调误差后理想 ADC 传输的最后一步中点与实际 ADC 的最后一步中点的偏差如果实际 ADC 的传递函数使 ADC 在输入电压达到上限值之前就达到饱和, 则产生正增益误差如果实际 ADC 的传递函数在输入电压达到上限值时未让 ADC 达到满量程值, 则产生负增益误差有关更多信息, 请参见 Microchip 开发人员帮助网站上的 ADC 增益误差页增益误差也可以表示为满量程误差减去失调误差, 如下图所示图 2-1. ADC 中的满量程误差增益误差和失调误差 Gain Error = Full-scale Error Offset Error FS Full-scale Error = Gain Error + Offset Error Shifted ADC with offset error correction OUTPUT CODE Ideal ADC Actual ADC (Gain Error + Offset Error) 0 Offset Error VIN VIN MAX 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 4

5 使用两点校准方法校准失调和增益误差 3. 使用两点校准方法校准失调和增益误差对于单极性 ADC, 输入范围始终为正, 输出代码范围为 0 至满量程 ( 对于 12 位 ADC 为 0xFFF) 但是, 单极性 ADC 可能同时存在正负失调误差对于 ADC 输入, 虽然可通过施加零伏输入来计算 ( 和校准 ) 正失调误差, 但无法通过施加零伏输入来计算负失调误差这是因为, 存在负失调误差时, 施加零伏输入将读取 0x000, 从而给人以无失调误差的假象因此, 必须使用两点校准方法, 而且在选择两个校准点时必须使一个校准点略低于满量程范围的 10%, 而另一个略高于满量程范围的 90% 请注意, 本例中使用的是 SAM D21 MCU 在本例中, 所选的两个校准点为 V1 = 0.15V 和 V2 = 1.55V, 它们分别是满量程值 1.65V 的 9% 和 93% ( 选择了内部参考电压 INTVCC1, 它将 ADC 参考电压设为 VDDANA 的一半 ) V1 和 V2 的理想 ADC 输出值以 C i 1 和 C i 2 表示 V1 和 V2 的实际 ADC 输出值以 C a 1 和 C a 2 表示利用精确的电压源施加 V1 = 0.15V 并将实际 ADC 输出值记为 C a 1 V1 = 0.15V 时的理想 ADC 输出值 C i 1 的计算方式为 (V1 x 4096)/ 同样地, 施加 V2 = 1.55V 并将 ADC 输出值记为 C a 2 理想 ADC 值 C i 2 的计算方式为 (V2 x 4096)/ 使用直线等式 y = mx + b 计算增益和失调误差, 其中 m 表示线的斜率,b 表示失调量 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 5

6 使用两点校准方法校准失调和增益误差图 3-1. 两点校准方法 FS C a 2 = 3914 C i 2 = 3847 OUTPUT CODE Actual ADC Ideal ADC C a 1= V1 = 0.15 V C i 1 = 372 VIN 1.65 V V2 = 1.55 V 增益误差的计算方式为实际 ADC 输出的斜率除以理想 ADC 输出的斜率增益误差 =(C a 2-C a 1)/(C i 2 - C i 1) =( )/( ) = 1.01 一旦计算出了增益误差, 便可计算失调误差 b = y - m.x 失调误差 = C a 1 ( 增益误差 x C i 1)= 404 (1.01 x 372)= 28 通过将计算出的误差值写入 GAINCORR 和 OFFSETCORR 寄存器, 即可补偿增益和失调误差 GAINCORR 是一个 12 位寄存器, 值范围为 1024 到 4095 GAINCORR 寄存器必须编程为如下所示 : GAINCORR = 2048 / 增益误差 GAINCORR 寄存器的范围为 0.5 <= GAINCORR <2, 其中增益误差 0.5 对应于 GAINCORR 值 4095, 增益误差 2 对应于 GAINCORR 值 1024 在上例中,GAINCORR = 2048/1.01 = 2027 OFFSETCORR 也是一个 12 位寄存器, 采用二进制补码格式对它的值编程 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 6

7 使用两点校准方法校准失调和增益误差 OFFSETCORR = 失调误差在上例中,OFFSETCORR 寄存器必须编程为 28 一旦对 GAINCORR 和 OFFSETCORR 寄存器进行了编程, 就可以通过将 CTRLB.CORREN 位置 1 来使能增益和失调校正注 : 对于 SAM D21 MCU,CORREN 位属于 CTRLB 寄存器有关其他基于 Arm Cortex-M0+ 的 MCU 的寄存器详细信息, 请参见具体器件的数据手册使能增益和失调校正后,ADC 计算的补偿值如下 : 结果 =( 转换值 - OFFSETCORR)x(GAINCORR/2048) 对于上例,ADC 将按如下所示补偿增益和失调误差 : C a 1 =(404-28)x(2027/2048) 372( 匹配 C i 1) C a 2 =( )x(2027/2048) 3846( 接近 C i 2) 上述校准方法假定了各校准点的值呈直线或线性传递函数关系若想确保整个 ADC 范围内的精度, 则可以执行多点校准, 如下图所示校准值可以存储在查找表中, 以供软件用来在运行时补偿误差当然, 可以在校准点数量执行时间和存储器使用之间进行适当取舍图 3-2. 用于补偿 ADC 传递函数中非线性部分的基于软件的多点校准 FS OUTPUT CODE Actual ADC Ideal ADC Assumes linear transfer between calibration points 0 VIN 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 7

8 使用两点校准方法校准失调和增益误差还有一些其他应用注意事项, 其中包括选择的校准点必须位于所使用的 ADC 范围内例如, 如果传感器输出在 0.75 V 至 1.25 V 之间变化, 则选择的校准点必须确保值也在此范围内此外, 为了提高校准值的精度, 可使能 ADC 中可用的平均功能来求取 ADC 样本的平均值 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 8

9 相关资源 4. 相关资源有关更多信息, 请参见以下文档和网页 : Microchip 开发人员帮助网站上的了解 ADC 规范页 Microchip 应用笔记 :AN693 了解 A/D 转换器性能规范 Microchip 应用笔记 :AT11481 ADC 配置与示例 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 9

10 Microchip 网站 Microchip 网站为客户提供在线支持客户可通过该网站方便地获取文件和信息只要使用常用的互联网浏览器即可访问, 网站提供以下信息 : 产品支持数据手册和勘误表应用笔记和示例程序设计资源用户指南以及硬件支持文档最新的软件版本以及归档软件一般技术支持常见问题 (FAQ) 技术支持请求在线讨论组以及 Microchip 顾问计划成员名单 Microchip 业务产品选型和订购指南最新 Microchip 新闻稿研讨会和活动安排表 Microchip 销售办事处代理商以及工厂代表列表变更通知客户服务 Microchip 的变更通知客户服务有助于客户了解 Microchip 产品的最新信息注册客户可在他们感兴趣的某个产品系列或开发工具发生变更更新发布新版本或勘误表时, 收到电子邮件通知欲注册, 请登录 Microchip 网站在支持 (Support) 下, 点击变更通知客户 (Customer Change Notification) 服务后按照注册说明完成注册客户支持 Microchip 产品的用户可通过以下渠道获得帮助 : 代理商或代表当地销售办事处应用工程师 (FAE) 技术支持客户应联系其代理商代表或应用工程师 (FAE) 寻求支持当地销售办事处也可为客户提供帮助本文档后附有销售办事处的联系方式也可通过以下网站获得技术支持 : Microchip 器件代码保护功能请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下,Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一目前, 仍存在着恶意甚至是非法破坏代码保护功能的行为就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿意与关心代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性代码保护并不意味着我们保证产品是牢不可破的代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 10

11 果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为法律声明本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示书面或口头法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况质量性能适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负买方同意在由此引发任何一切伤害索赔诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿除非另外声明, 否则在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 AnyRate AVR AVR 徽标 AVR Freaks BitCloud chipkit chipkit 徽标 CryptoMemory CryptoRF dspic FlashFlex flexpwr Heldo JukeBlox KeeLoq Kleer LANCheck LINK MD maxstylus maxtouch MediaLB megaavr MOST MOST 徽标 MPLAB OptoLyzer PIC picopower PICSTART PIC32 徽标 Prochip Designer QTouch SAM-BA SpyNIC SST SST 徽标 SuperFlash tinyavr UNI/O 和 XMEGA 是 Microchip Technology Incorporated 在美国和其他国家或地区的注册商标 ClockWorks The Embedded Control Solutions Company EtherSynch Hyper Speed Control HyperLight Load IntelliMOS mtouch Precision Edge 和 Quiet-Wire 为 Microchip Technology Incorporated 在美国的注册商标 Adjacent Key Suppression AKS Analog-for-the-Digital Age Any Capacitor AnyIn AnyOut BodyCom CodeGuard CryptoAuthentication CryptoAutomotive CryptoCompanion CryptoController dspicdem dspicdem.net Dynamic Average Matching DAM ECAN EtherGREEN In-Circuit Serial Programming ICSP INICnet Inter-Chip Connectivity JitterBlocker KleerNet KleerNet 徽标 membrain Mindi MiWi motorbench MPASM MPF MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK MultiTRAK NetDetach Omniscient Code Generation PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail PowerSmart PureSilicon QMatrix REAL ICE Ripple Blocker SAM- ICE Serial Quad I/O SMART-I.S. SQI SuperSwitcher SuperSwitcher II Total Endurance TSHARC USBCheck VariSense ViewSpan WiperLock Wireless DNA 和 ZENA 为 Microchip Technology Incorporated 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 为 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 Silicon Storage Technology 为 Microchip Technology Inc. 在除美国外的国家或地区的注册商标 GestIC 是 Microchip Technology Inc. 的子公司 Microchip Technology Germany II GmbH & Co. KG 在除美国外的国家或地区的注册商标在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2018, Microchip Technology Incorporated 版权所有 ISBN: AMBA Arm Arm7 Arm7TDMI Arm9 Arm11 Artisan big.little Cordio CoreLink CoreSight Cortex DesignStart DynamIQ Jazelle Keil Mali Mbed Mbed Enabled NEON 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 11

12 POP RealView SecurCore Socrates Thumb TrustZone ULINK ULINK2 ULINK-ME ULINK- PLUS ULINKpro µvision 和 Versatile 是 Arm Limited( 或其子公司 ) 在美国和 / 或其他国家 / 地区的商标或注册商标 DNV 认证的质量管理体系 ISO/TS Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证 Microchip 的 PIC MCU 和 dspic DSC KEELOQ 跳码器件串行 EEPROM 单片机外设非易失性存储器及模拟产品严格遵守公司的质量体系流程此外,Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 2018 Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 12

13 全球销售及服务网点美洲亚太地区亚太地区欧洲公司总部 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 电话 : 传真 : 技术支持 : support 网址 : 亚特兰大德卢斯, 乔治亚州电话 : 传真 : 奥斯汀, 德克萨斯州电话 : 波士顿韦斯特伯鲁, 马萨诸塞州电话 : 传真 : 芝加哥艾塔斯卡, 伊利诺伊州电话 : 传真 : 达拉斯艾迪生, 德克萨斯州电话 : 传真 : 底特律诺维, 密歇根州电话 : 休斯敦, 德克萨斯州电话 : 印第安纳波利斯诺布尔斯维尔, 印第安纳州电话 : 传真 : 电话 : 洛杉矶米申维耶霍, 加利福尼亚州电话 : 传真 : 电话 : 罗利, 北卡罗来纳州电话 : 纽约, 纽约州电话 : 圣何塞, 加利福尼亚州电话 : 电话 : 加拿大 - 多伦多电话 : 传真 : 中国 - 北京电话 : 中国 - 成都电话 : 中国 - 重庆电话 : 中国 - 东莞电话 : 中国 - 广州电话 : 中国 - 杭州电话 : 中国 - 南京电话 : 中国 - 青岛电话 : 中国 - 上海电话 : 中国 - 沈阳电话 : 中国 - 深圳电话 : 中国 - 苏州电话 : 中国 - 武汉电话 : 中国 - 西安电话 : 中国 - 厦门电话 : 中国 - 香港特别行政区电话 : 中国 - 珠海电话 : 台湾地区 - 高雄电话 : 台湾地区 - 台北电话 : 台湾地区 - 新竹电话 : 澳大利亚 - 悉尼电话 : 印度 - 班加罗尔电话 : 印度 - 新德里电话 : 印度 - 浦那电话 : 日本 - 大阪电话 : 日本 - 东京电话 : 韩国 - 大邱电话 : 韩国 - 首尔电话 : 马来西亚 - 吉隆坡电话 : 马来西亚 - 槟榔屿电话 : 菲律宾 - 马尼拉电话 : 新加坡电话 : 泰国 - 曼谷电话 : 越南 - 胡志明市电话 : 奥地利 - 韦尔斯电话 : 传真 : 丹麦 - 哥本哈根电话 : 传真 : 芬兰 - 埃斯波电话 : 法国 - 巴黎电话 : 传真 : 德国 - 加兴电话 : 德国 - 哈恩电话 : 德国 - 海尔布隆电话 : 德国 - 卡尔斯鲁厄电话 : 德国 - 慕尼黑电话 : 传真 : 德国 - 罗森海姆电话 : 以色列 - 赖阿南纳电话 : 意大利 - 米兰电话 : 传真 : 意大利 - 帕多瓦电话 : 荷兰 - 德卢内市电话 : 传真 : 挪威 - 特隆赫姆电话 : 波兰 - 华沙电话 : 罗马尼亚 - 布加勒斯特电话 : 西班牙 - 马德里电话 : 传真 : 瑞典 - 哥德堡电话 : 瑞典 - 斯德哥尔摩电话 : 英国 - 沃金厄姆电话 : 传真 : Microchip Technology Inc. DS A_CN-page 13

TB3178

TB3178 如何利用 Cortex -M0+ 单片机实现更快的数学计算简介工业和家用电器市场中的各种应用要求使用数学运算来实现不同的算法和计算基于 Cortex -M0+ 的单片机包含加法减法和乘法指令 Cortex-M0+ 架构没有用于除法运算的汇编指令, 除法逻辑可以根据不同的编译器而变化基于 Arm Cortex-M0+ 的单片机 (MCU) 具有一个可配置选项, 可通过该选项使用快速乘法器进行乘法运算