ADC/DAC精度校准

ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）的精度校准是确保信号转换准确性的关键步骤

1. 误差来源分析

(1) ADC主要误差类型

  • 偏移误差（Offset Error）：实际转换曲线与理想曲线的垂直偏移（零点偏差）。
  • 增益误差（Gain Error）：实际转换曲线斜率与理想值的偏差（满量程偏差）。
  • 积分非线性（INL）：实际转换点与理想直线的最大偏差（非线性误差）。
  • 微分非线性（DNL）：相邻码值之间的实际步长与理想步长的偏差。
  • 噪声与温漂：热噪声、电源波动、温度变化引起的误差。

(2) DAC主要误差类型

  • 类似ADC，包括偏移、增益、非线性误差，但方向相反（数字到模拟）。

2. ADC校准方法

(1) 硬件校准（适用于12位/16位）

  • 偏移校准：

    • 步骤：

      1. 输入已知的零电平（如短接AIN到GND）。
      2. 读取ADC输出码值（应为0，实际可能为N_offset）。
      3. 软件补偿：后续采样值减去N_offset。

    • 实现：

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      int16_t raw_value = ADC_Read();
      int16_t calibrated_value = raw_value - offset;

  • 增益校准：

    • 步骤：

      1. 输入满量程参考电压（如VREF）。
      2. 读取ADC输出码值（理想为最大值，如4095对应12位）。
      3. 计算增益误差系数：
        gain = (理论最大值) / (实际测量值)
      4. 软件补偿：采样值乘以增益系数。

    • 实现：

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      float gain = 4095.0 / measured_max_value;
      int16_t calibrated_value = raw_value * gain;

  • 多点校准（提升INL精度）：

    • 步骤：
      1. 使用精密电压源输入多个已知电压点（如10%VREF, 50%VREF, 90%VREF）。
      2. 记录实际ADC码值与理论值的偏差。
      3. 构建查找表（LUT）或拟合多项式曲线，实时补偿非线性误差。
    • 适用场景：16位高精度系统，需补偿非线性误差。

(2) 自动校准（芯片内置功能）

  • 示例

    ：STM32的ADC自校准模式

    • 触发内部校准流程，自动计算偏移校正值并存入寄存器。

    • 代码示例：

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      HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc); // 启动自校准

(3) 外部参考源校准

  • 使用高精度外部电压基准（如ADR4550）替代内部VREF，减少基准源误差。

3. DAC校准方法

(1) 偏移校准

  • 步骤：
    1. 设置DAC输出数字码为0，测量实际输出电压V_off。
    2. 软件补偿：输出码值动态调整为DAC_code = target_code + (V_off / LSB)。

(2) 增益校准

  • 步骤：
    1. 设置DAC输出最大码值（如65535对应16位），测量实际电压V_full。
    2. 计算增益误差系数：
      gain = V_full / (理论满量程电压)
    3. 软件补偿：输出码值乘以增益系数。

(3) 分段线性校准

  • 对DAC输出范围分段，每段单独校准偏移和增益，适用于高分辨率（16位）系统。

4. 校准实现注意事项

(1) 12位 vs. 16位系统差异

参数 12位 ADC/DAC 16位 ADC/DAC
LSB精度 1 LSB = VREF/4096 1 LSB = VREF/65536
校准精度要求 ±2 LSB以内 ±1 LSB以内
校准点数量 2点（偏移+增益）通常足够 需多点校准（如5-10点）
噪声影响 较小（LSB较大） 显著（需低噪声PCB布局和滤波）

(2) 校准设备要求

  • 电压源：精度至少比目标系统高4倍（如校准16位需20位精度的源表）。
  • 测量仪器：使用高精度万用表（如6½位）或校准ADC。

(3) 温度补偿

  • 在宽温范围内工作的系统需存储不同温度下的校准系数（EEPROM存储）。

  • 公式示例：

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    calibrated_value = raw_value * gain_table[temp] + offset_table[temp];

5. 校准流程示例（以16位ADC为例）

  1. 预热系统：上电稳定30分钟，减少温漂影响。
  2. 偏移校准：
    • 输入0V，读取100次取平均，得到N_offset。
  3. 增益校准：
    • 输入VREF-1LSB（避免饱和），读取N_full，计算增益系数。
  4. 多点INL校准：
    • 输入10个均匀分布的电压点，构建LUT或二次多项式拟合。
  5. 存储系数：将offset、gain和LUT存入非易失存储器。

6. 代码实现片段（STM32 HAL库示例）

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// ADC偏移校准
void ADC_Calibrate() {
  HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1); // 内置校准
  uint32_t offset = hadc1.Instance->CALFACT; // 获取校准因子
}

// DAC增益补偿
void DAC_SetVoltage(float voltage) {
  float lsb = VREF / 65536.0;
  uint16_t code = (voltage / lsb) * gain_factor + offset;
  HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, code);
}

7. 高精度设计技巧

  • PCB布局：
    • 分离模拟/数字地，使用星型接地。
    • 缩短模拟信号走线，避免平行数字信号线。
  • 参考源选择：
    • 使用低温漂参考电压（如MAX6126，温漂3ppm/℃）。
  • 软件滤波：
    • 多次采样取平均（16位系统建议64次以上）。
    • 中值滤波消除脉冲噪声。

通过系统级校准（硬件+软件）和严格的环境控制，12位系统可达到±1 LSB精度，16位系统可控制在±2 LSB以内。