DS1859與眾不同的是其內部校準和右移（可擴展動態(tài)量距）功能。結合使用時，這些特性極大地增強了DS1859的12位模數(shù)轉換器（ADC），使其具有高達16位ADC的精度和準確度，而不會增加成本和尺寸。此外，DS1859的內部校準具有可編程增益和可編程失調功能，省去了大多數(shù)（如果不是全部）外部信號調理電路。通過在ADC之前的模擬域中提供可編程增益，可以放大/衰減輸入信號，以利用ADC的整個范圍。然后，在數(shù)字域中，右移可用于縮小（分頻）數(shù)字輸出，以便所需的（或SFF-8472規(guī)定的）LSB不受影響，甚至對用戶透明。

本應用筆記旨在說明應用如何從內部校準和右移中受益。此外，本應用筆記還將提供有關如何實現(xiàn)內部校準和右移的寶貴信息。最后，提供了一個示例來說明所討論主題的應用。

DS1859模擬監(jiān)測器輸入

在進一步討論之前，最好先看一下DS1859 MON輸入的框圖（見圖1）。為清楚起見，僅說明了一個輸入，盡管這些概念適用于所有三個 MON 輸入。

圖1.DS1859 MON輸入框圖

如圖所示，單端電壓施加于DS1859 MON引腳。在模擬域中，電壓被饋入能夠衰減和增益的可編程增益模塊。增益模塊可以校準MON通道，以實現(xiàn)所需的LSB或滿量程電壓。滿量程電壓是數(shù)字輸出達到滿量程（FFF8h）的電壓。此外，增益模塊可以在內部增益小輸入信號，以便最大限度地利用ADC。稍后將對此進行更詳細的描述。

增益模塊之后是12位ADC。12 位轉換以 2 字節(jié)（16 位）值左對齊輸出。ADC能夠將0000h的數(shù)字值輸出到FFF8h。

一旦進入數(shù)字域，DS1859就將內部校準更進一步，具有用戶可編程的數(shù)字失調，能夠增加正或負失調。數(shù)字偏移可用于通過簡單地執(zhí)行數(shù)字加法在內部添加正或負偏移。需要指出的是，正偏移仍將鉗制在FFF8h的數(shù)字值，但最小數(shù)字值現(xiàn)在將大于零。同樣，負偏移的滿量程數(shù)字值將小于FFF8h（因為負偏移減去轉換）。在這種情況下，最小數(shù)字值將保持在 0000h。有關數(shù)字偏移的詳細信息將在后面的偏移校準寄存器部分中提供。

輸出數(shù)字值之前的最后一個操作是右移。每個 MON 輸入有 3 位，用于控制所需的右移次數(shù)。右移的好處將在后面討論。將三位設置為零會導致零右移，并禁用右移功能。與偏移一樣，右移也會影響滿量程數(shù)字輸出。例如，如果設置為 2 個右移，則滿量程數(shù)字輸出變?yōu)?3FFEh。執(zhí)行移位后，該值將寫入用戶讀取轉換的相應寄存器。這也是用于警報和警告比較的值。

出廠校準DS1859

DS1859 MON輸入均經過工廠調整至2.5V滿量程電壓。這意味著2.5V的輸入電壓將輸出FFF8h的滿量程數(shù)字值。此外，每個數(shù)字失調在工廠編程為零，以便0V輸入將輸出0000h的數(shù)字值。最后，右移出廠默認值為 0。工廠校準DS1859的傳遞函數(shù)如圖2B所示，稍后將介紹。

工廠調整的器件將輸出 4096 個數(shù)字值之一，輸入電壓范圍為 0 至 2.5V，610 位轉換的分辨率為 2μV （5.4096V/12）。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。然而，在現(xiàn)實生活中，我們知道情況并非總是如此。以接收電源為例，其中0至.5V的電壓很常見。遺憾的是，80%的數(shù)字輸出代碼永遠不會被使用。能夠生成 12 個代碼的 4096 位轉換器只會輸出 820 個代碼中的一個（20 個代碼的 4096%）是一種浪費。其余 3276 個數(shù)字代碼將永遠不會使用。此外，在使用820個代碼中，分辨率仍為610μV。

為了嘗試使用更多的數(shù)字代碼，很容易將接收電源MON輸入重新校準到小于2.5V的滿量程電壓。但是，單獨這樣做并不能解決問題，因為LSB將發(fā)生變化，不再與所需的LSB匹配。解決此問題的方法是將內部校準與右移結合使用，如下一節(jié)所述。

使用DS1859內部校準和右移的優(yōu)勢

當要監(jiān)控的信號很小時，內部校準和右移最有利，因此不會利用整個ADC范圍。通過在模數(shù)轉換之前在模擬域中放大信號，然后將其除以數(shù)字域中的相同因子，可以保留所需的LSB，并且每向右移一次，精度和準確度都會提高2倍（最多4）。右移 4 次后，精度會丟失，但精度會不斷提高。這樣做的美妙之處在于，它是以犧牲以前浪費的范圍為代價的。

使用內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2A是要監(jiān)控的示例信號的電壓與時間的關系圖。示例信號擺幅在0V至0.5V之間。圖2B和圖2C是MON輸入電壓與數(shù)字輸出的關系圖，分別顯示了工廠校準的傳遞函數(shù)以及使用2個右移和滿量程電壓2.5V/4 = 0.625V的示例傳遞函數(shù)。0.625V的滿量程電壓意味著浪費的代碼更少，導致轉換比2.5V滿量程電壓大四倍，但隨后又被4倍（兩次右移）分頻。下一節(jié)將討論確定右移位數(shù)和滿量程電壓。這里使用兩個右移位只是為了比較右移位示例與不右移位示例。所使用的設備設置以及與每個傳遞函數(shù)相關的計算顯示在每個相應的傳遞函數(shù)下方。

圖2.沒有右移與右移比較。

圖2中的所有三個圖都在同一y軸和刻度上并排顯示，因此對于輸入信號上的特定點（圖2A），可以繪制一條水平線穿過該點和每個傳遞函數(shù)，以便對數(shù)字輸出進行粗略的近似。回到0V至0.5V的示例輸入信號，其中0.5V由所有3個圖的粗體水平線表示，通過比較圖B和C可以看出右移的好處。這只是重申，當ADC的輸入范圍跨越的電壓范圍遠大于輸入信號的范圍時，將浪費許多步長（見圖B）。819 個中僅使用了 4096 個。B地塊中剩余的80%被浪費了。相比之下，圖C顯示，通過在內部校準到較小的滿量程電壓并使用右移，精度提高了。現(xiàn)在，3276個數(shù)字代碼中的4096個用于對信號進行數(shù)字化。最好的部分是，在右移后，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。

如何確定可以使用多少個右移位

應用中可以使用的右移次數(shù)是滿量程電壓（內部校準）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），則可以計算出預期的數(shù)字輸出。否則，在工程評估期間需要“動手”方法來確定數(shù)字輸出的范圍，從而確定理想的右移次數(shù)。下面將逐步詳細介紹“動手”方法。

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

DS1859內部校準和右移寄存器

DS1859器件寄存器負責每個模擬通道的內部校準和右移設置，總結于表1。顯示每個 MON 通道設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，但本應用筆記將不進行討論。數(shù)字轉換的位置也包含在表中，以顯示其相對位置。請注意，增益、失調和右移寄存器位于存儲器表01h中（不要與本應用筆記的表1混淆）。內存表01h是通過將01h寫入表選擇字節(jié)7Fh來選擇的。由于數(shù)字轉換位于內存的下部 （0-7Fh） 中，因此它們與表選擇字節(jié)無關。

表 1.DS1859內部校準和右移寄存器

獲得校準寄存器

增益校準寄存器是一個雙字節(jié)值，通過調整輸入開關電容網絡來確定特定監(jiān)控通道的增益/衰減量。這使用戶能夠將滿量程電壓校準到~500mV至6.5535V之間的任何所需值。

不幸的是，對Gain Cal寄存器進行編程并不像說“我想要4的增益......所以我會在Gain Cal寄存器中寫入4”那么簡單。此外，由于開關電容器網絡中電容器的設備（以及批次之間）的變化，確實有必要校準設置。校準和確定需要寫入增益校準寄存器的值的步驟在DS1859數(shù)據(jù)資料的“內部校準”一節(jié)中提供。本應用筆記的“如何內部校準”部分提供了更多信息。

校準DS1859時需要注意的是，了解失調和右移位寄存器的值非常重要。否則，如果它們不為零且未進行補償，則設備將無法按預期進行校準。

偏移校準寄存器

失調校準寄存器是一個雙字節(jié)值，用于確定應用于每個受監(jiān)控輸入的數(shù)字偏移量。回想一下，DS1859的失調是轉換值的簡單數(shù)字加法或減法。因此，一旦增益被調整到所需值（并且在使能右移之前），就可以對失調進行編程，以消除任何失調或移動范圍。不幸的是，與增益校準寄存器類似，確定編程值并不像說“我想要100mV的失調...所以我會在登記冊中寫下 100 個。

數(shù)據(jù)資料的DS1859“內部校準”部分所示的內部校準偽代碼顯示了如何確定失調“歸零”所需的失調校準值，而本節(jié)提供了更多信息以及正負失調的示例。

偏移校準的計算方法是首先確定應向轉換中添加或減去多少計數(shù)。通常完成此操作的一種方法是應用零輸入（例如激光關閉），然后讀取轉換。這將是您從所有轉化中減去的值。

需要寫入失調校準寄存器的值是通過在DS1859數(shù)據(jù)資料中給出的公式中插入所需計數(shù)來計算的，下面重復。

偏移校準寄存器 = [4000h - （計數(shù)/2）] XOR 4000h

示例 1：如果對 MON 輸入施加 0V 并看到計數(shù)為 200 （C8h），則可以使用偏移寄存器從 A/D 轉換中減去 200 （C8h） 以將其歸零。使用公式確定要寫入寄存器的內容：

偏移校準寄存器 = [4000h - （C8h/2）] XOR 4000h = 7F9Ch

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，從而得出新的滿量程計數(shù) FF30h。

示例 2：現(xiàn)在讓我們假設出于某種原因，您想在讀數(shù)中添加 200 個計數(shù)。在這種情況下，2 個負數(shù)（公式中的負數(shù)和 -C8h 取消）使第二項為正，產生：

偏移校準寄存器 = [4000h + （C8h/2）] XOR 4000h = 0064h

要計算新的滿量程計數(shù)，您需要（嘗試）將 C8h 添加到 FFF8h。然而，F(xiàn)FF8h是最大可能的讀數(shù)，因此滿量程計數(shù)將保持FFF8h。

例3：計算零偏移的偏移校準值。

偏移校準寄存器 = [4000h - （0/2）] XOR 4000h = 0000h

這也恰好是偏移校準寄存器的出廠默認設置。

右移寄存器

右移寄存器（表01h，字節(jié)8Eh-8Fh）比增益和失調寄存器更容易理解。由于 MON1-MON3 能夠執(zhí)行多達 7 次右移，因此每個 MON 輸入需要 1 位。MON2 和 MON01 的設置位于表 8h，字節(jié) 3Eh 中，而 MON01 的設置位于表 8h，00Fh 中。有關位的位置，請參閱數(shù)據(jù)表中的存儲器映射。這些EEPROM寄存器的出廠默認值為<>h，禁用右移。

為了進一步說明右移的結果，圖3顯示了生成的MON值的幾個示例。

圖3.周一寄存器右移示例。

如何進行內部校準

雖然有幾種方法可以進行內部校準，但本應用筆記討論了DS1859數(shù)據(jù)資料中所示的二進制搜索方法（使用偽代碼）。偽碼算法的輸出是增益和失調寄存器值，產生所需的傳遞函數(shù)，即所需的LSB。

為了使用偽代碼算法，必須能夠將激光設置為兩種不同的強度，例如最小和最大強度的90%，并且還能夠進行多次迭代。對于非光學應用，必須根據(jù)命令對MON輸入施加兩種不同的電壓。數(shù)據(jù)手冊中提供的算法使用最大值的90%，因此上限不太可能箝位。但是，當應用所需滿量程的百分比時，計算數(shù)字值的相應百分比也很重要。

該算法首先將偏移和右移寄存器設置為已知狀態(tài)，即零偏移和零右移。盡管此示例將兩個寄存器都設置為零，但只要補償了其他值，就可以使用其他值。例如，當從編程偏移開始時，F(xiàn)FF8h可能不再是箝位的滿量程數(shù)字值（參見失調校準寄存器部分）。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)。

增益值的二叉搜索首先將增益校準寄存器設置為半量程8000h。然后，通過將90%最大輸入施加到正在校準的MON通道，然后讀取相應的數(shù)字轉換來測試增益值。此值稱為 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)被鉗位，則無法斷定轉換實際上是FFF8h還是更大（也是FFF8h）。無論哪種方式，增益設置都太高。在二分搜索方式中，增益值減半，重復該過程，直到找到非鉗位增益值。

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)字轉換來繼續(xù)。此轉換變?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小于CNT2-CNT1，則增益再次減半。否則，如果Meas2-Meas1大于CNT2-CNT1，則通過將增益減少一半并將其添加到電流增益中來增加增益。該過程將重復，直到總共執(zhí)行 16 次迭代。得到的結果是一個16位值，產生所需的增益（和所需的LSB）。

可視化增益校準過程的另一種方法如下。從 15 位增益校準寄存器的 MSB （b16） 開始，將該位設置為 1（所有其他位最初設置為 0）。當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)被箝位，則增益過高，MSB寫回0。否則，MSB 仍為 1。MSB現(xiàn)已為人所知。現(xiàn)在進入下一點，b14。將 b14 設置為 1（將 b15 設置為已確定的內容）。向下到 b13 的位 0 仍然是 0。再次完成該過程以確定增益是否仍然過高。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。結果再次是一個16位值，產生所需的增益。

一旦達到所需的增益，就可以校準新的失調，或者將其保持在0（無偏移）。校準方法取決于如何使用偏移特征。數(shù)據(jù)手冊中算法附帶的說明假設用戶希望應用負偏移來使數(shù)字讀數(shù)為零，以便零模擬輸入將產生所有零輸出。只需應用零模擬輸入并讀取轉換即可完成此操作。如果零輸入（例如激光關閉）產生20h的數(shù)字輸出，則可以對偏移進行編程，以便從每次轉換中以數(shù)字方式減去20h。在本例中，將20h代入失調公式，然后將結果編程到所需MON通道的失調校準寄存器中。

內部校準和右移示例

為了演示本應用筆記中介紹的概念，提供了以下示例。

在此示例中，MON3 用于監(jiān)視 Rpower。當施加-40dBm的最小輸入時，DS10的MON3引腳得到1859mV的電壓。該輸入所需的數(shù)字輸出為0000h。當施加0dBm輸入時，MON300提供3mV。在這種情況下，所需的數(shù)字輸出為2710h，選擇該輸出是為了滿足SFF-8472規(guī)定的LSB（Rpower的LSB為0.1μW）。

在本例中，確定理想的右移次數(shù)相對簡單，因為已經給出了所需數(shù)字輸出的范圍（0000h-2710h）。使用DS9數(shù)據(jù)資料表1859，理想的右移位數(shù)為2。現(xiàn)在考慮到 2 個右移，為了使 2710h 成為兩次右移后的最終輸出，我們可以得出結論，300mV 的輸入必須在右移之前導致 9C40h 的轉換。因此，對于9mV的輸入，內部校準將用于“增益”轉換至40C300h。一旦失調的內部校準和編程完成，將啟用兩個右移。表 2 總結了我們的示例。

表 2.內部校準和右移示例

一旦確定了輸入和輸出之間的關系（如表2所示），數(shù)據(jù)手冊中提供的內部校準程序將用于對器件進行內部校準。例程首先執(zhí)行一些初步計算，如下所示。請注意，此處不使用數(shù)據(jù)手冊例程中顯示的90%，因為第二個校準點（300mV = 9C40h）已經小于滿量程值的90%。因此，本例中使用的內部校準例程刪除了對90%的所有引用。

給定表 2，進行以下計算。

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

滿量程電壓 = FS = LSB × 65535 = 7.25μV × 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 是應用兩個校準點時的預期（所需）數(shù)字輸出。內部校準例程將迭代以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，DS1859采用內部校準程序進行校準，所有16次迭代的輸入和輸出如表3所示。

表 3 的第一列“迭代”等效于例程中的 n。列gain_result是每次迭代編程到增益校準寄存器（器件表01h，字節(jié)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gain_result太大。對應于該迭代的增益校準位變?yōu)榱悖@反過來又決定了連續(xù)迭代的gain_result。完成所有 16 次迭代后，增益校準值就已知了。本例中使用的器件的增益校準值為 5038h。

表 3.實際內部校準值

將器件編程為其新的增益校準值時，偏移校準值通過強制10mV（我們想要讀取0000h的電壓）并讀取數(shù)字結果來確定。本例中使用的器件輸出值為0558h，施加10mV。使用偏移公式，偏移校準計算如下。

MON3 偏移校準 = [4000h - 0558h/2] 異或 4000h = 7D54h

最后，新的鉗位值可以計算如下：

新鉗位值（右移前）= FFF8h - 0558h = FAA0h

內部校準完成后，通過將 2 小時寫入表 20h（位置 01Fh）來啟用 8 個右移位。

結論

DS1859的內部校準和右移功能提供了最大的靈活性，使DS1859適合各種應用。本應用筆記提供了DS1859數(shù)據(jù)資料中沒有的額外信息，例如為什么內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，將概念聯(lián)系在一起，并提供在內部校準過程中從DS1859讀取的實際數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷