一种应用于宽范围电流检测的ADC校正电路的制作方法

一种应用于宽范围电流检测的adc校正电路
技术领域
1.本发明涉及adc检测技术领域，更具体地，涉及一种应用于宽范围电流检测的adc校正电路。


背景技术：

2.感知世界是数据转换器(analog to digital converter，adc)的重要作用，数字系统常使用adc将外界的模拟信号转换为可处理的数字信号，然后通过数字电路强大的数据处理功能处理这些数据，从而实现期望的功能。adc的精度对数字系统的性能有很大的影响，转换精度越高，系统性能越好。
3.adc是一种高精度数据转换器件，在实际使用的过程中易受外界环境的影响，往往达不到adc所标定的精度。而精度的损失会对整个系统的性能造成较大的影响，因此，需要对adc的结果进行误差校正。
4.adc设计的静态指标，也即误差类型，大致可以分为以下四类：失调误差(offset error)、增益误差(gain error)、微分非线性(differential nonlinearity)和积分非线性(integral nonlinearity)。其中，失调误差和增益误差是外界环境影响的主要方面，而微分非线性和积分非线性误差常取决于adc的结构和工艺。而且，失调误差和增益误差的校正原理比较简单，所需资源较少，适用于芯片级校正；而微分非线性和积分非线性误差与adc结构相关，所以不容易校正，需要使用多项式逼近、查表法等，面积成本较高且不通用，不适用于芯片级校正。
5.电动汽车的电池组由上百个电池串并联组成，其充放电电流范围宽，精确地测量宽范围电流是电动汽车电池管理系统(bms)监测电池状态的重要方面。电流检测adc通过测量分流电阻上的电压来间接测量电流，由于电流输入范围大，分流电阻值选择较小且选择后便固定，因此需要将待检测的电压进行处理，使其在适合adc处理的范围内，以便精确地测量宽范围的电流。
6.本发明主要针对宽范围电流检测adc，研究由外界环境导致的失调及增益误差的校正。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种应用于宽范围电流检测的adc校正电路，能够根据乘法和加法运算校正adc采样通道中的增益误差和失调误差，效果显著，结构简单，易于实现。
8.作为本发明的第一个方面，提供一种应用于宽范围电流检测的adc校正电路，所述应用于宽范围电流检测的adc校正电路包括斩波开关、短路开关、pga、adc、pga控制器、pga乘法器、斩波控制器、校正乘法器、校正加法器和增益误差校正模块；
9.所述斩波开关的第一输入端用于输入待检测电压信号，所述斩波开关的第二输入端与所述斩波控制器的第一输出端连接，所述斩波开关的输出端与所述pga的第一输入端
连接，所述斩波开关用于控制所述待检测电压信号的方向；
10.所述短路开关的开关控制端与所述pga控制器的第一输出端连接，所述短路开关分别与所述斩波开关的输出信号两端连接，所述短路开关用于短路所述pga的输入信号；
11.所述pga的第二输入端与所述pga控制器的第二输出端连接，所述pga的输出端与所述adc的输入端相连，所述pga用于实现所述待检测电压信号的增益放大；
12.所述pga控制器的输入端与所述校正加法器的输出端连接，所述pga控制器的第三输出端与所述pga乘法器的第一输入端连接，所述pga控制器用于控制所述短路开关以实现所述pga的调零和控制所述pga的增益放大；
13.所述pga乘法器的第二输入端与所述adc的量化数据输出端连接，所述pga乘法器的输出端分别与所述校正乘法器的第一输入端和所述斩波控制器的输入端连接，所述pga乘法器用于去掉所述pga对所述待检测电压信号实现的增益放大；
14.所述斩波控制器的第二输出端与所述校正加法器的第一输入端连接，所述斩波控制器用于输出失调误差校正系数至所述校正加法器；
15.所述校正乘法器的第一输入端用于输入adc的原始电压量化数据；所述校正乘法器的第二输入端与所述增益误差校正模块连接，用于获取所述增益误差校正模块输出的增益误差校正系数；所述校正乘法器的输出端与所述校正加法器的第二输入端连接；
16.所述校正乘法器和所述校正加法器用于在所述pga调零结束后，校正所述原始电压量化数据的增益误差和失调误差，所述校正加法器的输出端输出校正后的电压量化数据。
17.进一步地，所述pga包括跨导放大器和运算放大器，所述pga控制器包括pga数模转换器和pga增益控制器，所述pga数模转换器的输入端与所述校正加法器的输出端连接，所述pga数模转换器的输出端与所述跨导放大器连接，所述pga增益控制器的输出端分别与所述pga和所述pga乘法器的第一输入端连接；
18.所述跨导放大器和所述运算放大器构成了闭环pga的结构，所述pga的可变增益通过所述pga增益控制器改变所述跨导放大器的跨导来实现；
19.在使用前，所述pga控制器控制所述短路开关闭合，使所述pga输入为0，此时所述pga的输入仅为失调误差电压，所述adc测得的失调误差量化值经所述校正加法器输出至所述pga数模转换器，经所述pga数模转换器转换为模拟失调电压值，所述跨导放大器在其输入端减去该反馈的模拟失调电压值，以实现所述pga的调零；
20.所述pga调零结束后，所述pga控制器控制所述短路开关断开，所述adc校正电路开始正常工作，所述校正乘法器和所述校正加法器根据获取到的所述增益误差校正系数gain_coeff和所述失调误差校正系数off_coeff校正adc采样通道中的增益误差和失调误差。
21.进一步地，所述pga调零结束后，所述pga控制器控制所述短路开关断开，adc校正电路开始正常工作，所述斩波开关交替传输所述待检测电压信号至所述pga，调零后的所述pga用于对所述待检测电压信号进行放大后传给所述adc采样，所述adc输出放大后的电压量化数据至所述pga乘法器，所述pga乘法器用于将所述放大后的电压量化数据去除pga增益以输出原始电压量化数据src_data，然后所述校正乘法器和所述校正加法器根据获取到的所述增益误差校正系数gain_coeff和所述失调误差校正系数off_coeff对所述原始电压
量化数据src_data进行校正。
22.进一步地，所述斩波控制器用于获取所述pga乘法器输出的原始电压量化数据src_data，假设所述adc当前采样输出的原始电压量化数据src_data为v2，上一次采样输出的原始电压量化数据src_data为v1，所述斩波控制器通过计算当前原始电压量化数据v2和上一次原始电压量化数据v1的差异得到所述失调误差校正系数off_coeff。
23.进一步地，所述增益误差校正模块包括存储器、选择器、插值器、系数乘法器和系数加法器；
24.所述存储器的第一输出端分别与所述插值器的输入端和所述选择器的选择信号输入端连接，所述存储器的第二输出端与所述选择器的第一数据输入端连接，所述存储器的第三输出端与所述选择器的第二数据输入端连接，所述存储器的第四输出端与所述系数加法器的第一输入端连接，所述存储器用于存储温度系数和当前外界环境温度值；其中，所述温度系数包括室温系数、高温系数和低温系数；
25.所述选择器的输出端与所述系数乘法器的第一输入端连接，所述选择器用于根据所述当前外界环境温度值选择所述高温系数或所述低温系数；
26.所述插值器的输出端与所述系数乘法器的第二输入端连接，所述插值器用于根据所述当前外界环境温度值获得温度比例系数，所述系数乘法器的输出端与所述系数加法器的第二输入端连接，所述系数加法器的第三输入端输入固定值1，所述系数加法器的输出端与所述校正乘法器的第二输入端连接，所述系数加法器用于所述增益误差校正系数的计算。
27.进一步地，所述增益误差校正系数gain_coeff的计算公式如下式(1)：
28.gain-coeff＝1+gain-room+k(t)
×
gain-hot/cold
ꢀꢀ
(1)
29.其中，gain_room为室温系数，k(t)为温度比例系数，gain_hot为高温系数，gain_cold为低温系数，所述增益误差校正系数gain_coeff通过所述系数加法器计算得到。
30.进一步地，所述校正后的电压量化数据cali_data的计算公式如下式(2)：
31.cali-data＝(src-data
×
gain-coeff)+off-coeff
ꢀꢀ
(2)
32.其中，src_data为adc的原始电压量化数据，gain_coeff为所述增益误差校正系数，off_coeff为失调误差校正系数，所述校正后的电压量化数据cali_data通过所述校正加法器计算得到。
33.进一步地，所述温度比例系数k(t)是1以内的小数，其中，
34.所述当前外界环境温度值t越接近所设置的所述高温系数gain_hot或所述低温系数gain_cold时，所述温度比例系数k(t)越大；
35.所述当前外界环境温度值t为所设置的所述室温系数gain_room时，所述温度比例系数k(t)为0。
36.进一步地，所述pga增益控制器控制所述pga的增益，同时将增益系数的倒数输出给所述pga乘法器作为乘法系数，以消除所述pga实现的增益，还原出所述待检测电压信号的真实测量值。
37.进一步地，所述斩波开关第一输入端的所述待检测电压信号为差分信号，所述斩波控制器用于控制所述斩波开关交替输出所述差分信号。
38.本发明提供的应用于宽范围电流检测的adc校正电路具有以下优点：通过插值器
和存储器中的温度相关的增益系数得到增益误差校正系数，通过pga调零和斩波机制实现失调误差的校正；其中，该电路通过pga调零来保证pga输入前信号的失调误差很小，适用于失调电压较大的情况，提升电路的动态范围；该电路通过斩波机制消除调零后剩下的余差失调电压，适用于失调比例较小的情况；斩波机制得到失调误差校正系数，然后再根据乘法和加法运算校正adc采样通道中的增益误差和失调误差，效果显著，结构简单，易于实现。
附图说明
39.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
40.图1为本发明提供的应用于宽范围电流检测的adc校正电路的结构框图。
具体实施方式
41.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的应用于宽范围电流检测的adc校正电路其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
42.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
43.在本发明的解释中，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，除非是特殊标明。例如，连接可以是固定连接，也可以是通过特殊的接口连接，也可以是中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.在本实施例中提供了一种应用于宽范围电流检测的adc校正电路，如图1所示，所述应用于宽范围电流检测的adc校正电路10包括斩波开关20、短路开关30、pga40、adc50、pga控制器60、pga乘法器70、斩波控制器80、校正乘法器90、校正加法器100和增益误差校正模块；
45.所述斩波开关20的第一输入端用于输入待检测电压信号，所述斩波开关20的第二输入端与所述斩波控制器80的第一输出端连接，所述斩波开关20的输出端与所述pga40的第一输入端连接，所述斩波开关20用于控制所述待检测电压信号的方向；
46.所述短路开关30的开关控制端与所述pga控制器60的第一输出端连接，所述短路开关30分别与所述斩波开关20的输出信号两端连接，所述短路开关30用于短路所述pga40的输入信号；
47.所述pga40的第二输入端与所述pga控制器60的第二输出端连接，所述pga40的输出端与所述adc50的输入端相连，所述pga40用于实现所述待检测电压信号的增益放大；
48.所述pga控制器60的输入端与所述校正加法器100的输出端连接，所述pga控制器60的第三输出端与所述pga乘法器70的第一输入端连接，所述pga控制器60用于控制所述短路开关30以实现所述pga40的调零和控制所述pga40的增益放大；
49.所述pga乘法器70的第二输入端与所述adc50的量化数据输出端连接，所述pga乘法器70的输出端分别与所述校正乘法器90的第一输入端和所述斩波控制器80的输入端连接，所述pga乘法器70用于去掉所述pga40对所述待检测电压信号实现的增益放大；
50.所述斩波控制器80的第二输出端与所述校正加法器100的第一输入端连接，所述斩波控制器80用于输出失调误差校正系数至所述校正加法器100；
51.所述校正乘法器90的第一输入端用于输入adc的原始电压量化数据src_data；所述校正乘法器90的第二输入端与所述增益误差校正模块连接，用于获取所述增益误差校正模块输出的增益误差校正系数；所述校正乘法器90的输出端与所述校正加法器100的第二输入端连接；
52.所述校正乘法器90和所述校正加法器100用于在所述pga40调零结束后，校正所述原始电压量化数据的增益误差和失调误差，所述校正加法器100的输出端输出校正后的电压量化数据cali_data。
53.优选地，所述pga40包括跨导放大器401和运算放大器402，所述pga控制器60包括pga数模转换器601和pga增益控制器602，所述pga数模转换器601的输入端与所述校正加法器100的输出端连接，所述pga数模转换器601的输出端与所述跨导放大器401连接，所述pga增益控制器602的输出端分别与所述pga40和所述pga乘法器70的第一输入端连接；
54.所述跨导放大器401和所述运算放大器402构成了闭环pga的结构，所述pga40的可变增益通过所述pga增益控制器602改变所述跨导放大器401的跨导来实现；
55.在使用前，所述pga控制器60控制所述短路开关30闭合，使所述pga40输入为0，即在输入短路的情况下所述pga40的输入仅为失调误差电压，所述adc50测得的失调误差量化值经所述校正加法器100输出至所述pga数模转换器601，经所述pga数模转换器601转换为模拟失调电压值，所述跨导放大器401在其输入端减去该反馈的模拟失调电压值，以实现所述pga40的调零；
56.所述pga40调零结束后，所述pga控制器60控制所述短路开关30断开，所述adc校正电路开始正常工作，所述校正乘法器90和所述校正加法器100根据获取到的所述增益误差校正系数gain_coeff和所述失调误差校正系数off_coeff校正adc采样通道中的增益误差和失调误差。
57.在本发明实施例中，pga40为可编程增益放大器(programmable gain amplifier)，ota为跨导放大器(transconductance amplifier)，opa为运算放大器(operational amplifier)。
58.优选地，所述pga40调零结束后，所述pga控制器60控制所述短路开关30断开，adc校正电路开始正常工作，所述斩波开关20交替传输所述待检测电压信号至所述pga40，调零后的所述pga40用于对所述待检测电压信号进行放大后传给所述adc50采样，所述adc50输出放大后的电压量化数据至所述pga乘法器70，所述pga乘法器70用于将所述放大后的电压量化数据去除pga增益以输出原始电压量化数据src_data，然后所述校正乘法器90和所述校正加法器100根据获取到的所述增益误差校正系数gain_coeff和所述失调误差校正系数
off_coeff对所述原始电压量化数据src_data进行校正。
59.优选地，所述斩波控制器80用于获取所述pga乘法器70输出的原始电压量化数据src_data，假设所述adc50当前采样输出的原始电压量化数据src_data为v2，上一次采样输出的原始电压量化数据src_data为v1，所述斩波控制器80通过计算当前原始电压量化数据v2和上一次原始电压量化数据v1的差异得到所述失调误差校正系数off_coeff。
60.优选地，所述增益误差校正模块包括存储器110、选择器120、插值器130、系数乘法器140和系数加法器150；
61.所述存储器110的第一输出端分别与所述插值器130的输入端和所述选择器120的选择信号输入端连接，所述存储器110的第二输出端与所述选择器120的第一数据输入端连接，所述存储器110的第三输出端与所述选择器120的第二数据输入端连接，所述存储器110的第四输出端与所述系数加法器150的第一输入端连接，所述存储器110用于存储温度系数和当前外界环境温度值；其中，所述温度系数包括室温系数、高温系数和低温系数；
62.所述选择器120的输出端与所述系数乘法器140的第一输入端连接，所述选择器120用于根据所述当前外界环境温度值选择所述高温系数或所述低温系数；
63.所述插值器130的输出端与所述系数乘法器140的第二输入端连接，所述插值器130用于根据所述当前外界环境温度值获得温度比例系数，所述系数乘法器140的输出端与所述系数加法器150的第二输入端连接，所述系数加法器150的第三输入端输入固定值1，所述系数加法器150的输出端与所述校正乘法器90的第二输入端连接，所述系数加法器150用于所述增益误差校正系数的计算。
64.优选地，所述增益误差校正系数gain_coeff的计算公式如下式(1)：
65.gain-coeff＝1+gain-room+k(t)
×
gain-hot/cold
ꢀꢀ
(1)
66.其中，gain_room为室温系数，k(t)为温度比例系数，gain_hot为高温系数，gain_cold为低温系数，所述增益误差校正系数gain_coeff通过所述系数加法器150计算得到。
67.优选地，所述校正后的电压量化数据cali_data的计算公式如下式(2)：
68.cali-data＝(src-data
×
gain-coeff)+off-coeff
ꢀꢀ
(2)
69.其中，src_data为adc的原始电压量化数据，gain_coeff为所述增益误差校正系数，off_coeff为失调误差校正系数，所述校正后的电压量化数据cali_data通过所述校正加法器100计算得到。
70.具体地，选择器120为数据选择器。
71.具体地，所述存储器110中的温度系数与adc温度相关，通过对adc的实际测试得到；所述存储器中的当前外界环境温度值为温度传感器输出值或者mcu写入的温度值。
72.本发明提供的应用于宽范围电流检测的adc校正电路，通过调零后的pga40将电压放大至适合adc处理的范围内，以便精确地测量宽范围的电流。
73.对于电流检测adc，本发明提供的失调误差校正有两种方式：调零和斩波。调零一般用于失调电压较大的情况，提升电路的动态范围，本发明通过短路开关30和pga控制器60实现pga40的调零。pga40调零后，通过插值器130和存储器110中的温度相关的增益系数得到增益误差校正系数gain_coeff，见公式(1)，通过斩波机制得到失调误差校正系数off_coeff，然后再根据乘法和加法运算校正adc采样通道中的增益误差和失调误差，计算公式见公式(2)，cali_data为最终校正后的结果输出。本发明校正效果显著，结构简单，易于实
现。
74.需要说明的是，pga调零的间隔根据所使用系统的外界环境变化程度合理设置，一般可以在电路上电工作之初或者切换测量通道之初进行pga调零。pga调零不能消除所有的失调误差，斩波则用于消除调零后剩下的余差失调电压，适用于失调比例较小的情况。本发明提供的adc校正电路通过插值器和存储器中的温度相关的增益系数得到增益误差校正系数，见公式(1)；通过斩波机制得到失调误差校正系数，然后再根据乘法和加法运算校正adc采样通道中的增益误差和失调误差，计算公式见公式(2)。本发明校正效果显著，结构简单，易于实现。
75.优选地，所述温度比例系数k(t)是1以内的小数，其中，所述当前外界环境温度值t越接近所设置的所述高温系数gain_hot或所述低温系数gain_cold时，所述温度比例系数k(t)越大；所述当前外界环境温度值t为所设置的所述室温系数gain_room时，所述温度比例系数k(t)为0。
76.优选地，所述pga增益控制器602控制所述pga40的增益，同时将增益系数的倒数输出给所述pga乘法器70作为乘法系数，以消除所述pga40实现的增益，还原出所述待检测电压信号的真实测量值。
77.优选地，所述斩波开关20第一输入端的所述待检测电压信号为差分信号，所述斩波控制器80用于控制所述斩波开关20交替输出所述差分信号，所述斩波开关20交替传输电压vin和vin的反向至adc50的输入，adc50输出原始电压量化数据src_data，假设前后两次采样后adc输出的src_data分别为v1和v2，则v1＝+vin+offset和v2＝-vin+offset；一般使用adc采样输出的数据src_data受外界环境和自身电路影响有偏差，所以使用校正电路修调掉这些偏差，得到校正后的数据cali_data。
78.优选地，所述斩波控制器80是所述应用于宽范围电流检测的adc校正电路的控制核心，控制采样通道和斩波开关，并根据adc量化数据(v1和v2))得到失调误差校正系数off_coeff；所述斩波控制器80通过计算当前采样(v2)和上一次采样(v1)的差异得到失调误差系数off_coeff＝(v1+v2)/2。
79.需要说明的是，斩波开关20是配合斩波控制器80实现斩波功能的开关，作用是交换输入的方向，假设输入从上到下为+vin和-vin，开关控制信号为0，直接输出；若为1则交换输出，输出-vin和+vin。
80.优选地，所述校正乘法器90和所述校正加法器100的操作数均为定点数。
81.优选地，所述系数加法器150和所述系数乘法器140的操作数均为定点数。
82.优选地，所述插值器130使用线性插值法根据所述当前外界环境温度值获得所述温度比例系数。
83.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。