本應用筆記討論了DS1863/DS1865控制器/監測芯片的內部校準和右移（可擴展動態量程）如何使應用受益。本文解釋了如何實現內部校準和右移，并提供了一個示例來說明該過程。

介紹

DS1863和DS1865控制器/監測器件采用內部校準和右移（可擴展動態量程），大大增強了內部13位ADC，在不增加成本和尺寸的情況下，提供更高的精度和準確度。此外，DS1863/DS1865的內部校準具有可編程標度和可編程失調功能，無需大多數（如果不是全部）外部信號調理電路。通過在ADC之前的模擬域中進行可編程縮放，輸入信號被縮放以使用ADC的整個范圍。然后，在數字域中，可以使用右移將數字輸出分回去，以便所需的（或SFF-8472規定的）LSB不受影響，甚至對用戶透明。

模擬監視器輸入

DS1863/DS1865 MON輸入框圖如圖1所示。為清楚起見，僅說明了一個輸入，盡管這些概念適用于所有四個 MON 輸入（MON1、MON2、MON3 和 MON4）。MON輸入用于監控發射功率和接收功率等信號。

圖1.DS1863/DS1865上的MON輸入框圖

如圖1所示，單端電壓施加于DS1863/DS1865 MON引腳。在模擬域中，電壓被饋入可編程刻度塊。該刻度塊可以校準MON通道，以實現所需的LSB或滿量程電壓。滿量程電壓是所需的LSB × 2n，其中 n 是位數。此外，比例塊可以在內部獲得小輸入信號，以最大限度地利用ADC。稍后將更詳細地介紹此過程。

比例塊之后是13位ADC。13 位轉換以 2 字節（16 位）值左對齊輸出。ADC可以輸出0000h至FFF8h的數字值。

在ADC之后，數字化信號通過用戶可編程數字偏移進一步調整。該數字偏移可用于通過簡單地執行數字加法在內部添加正或負偏移。需要注意的是，正偏移將鉗制在FFF8h的數字值上;負偏移的滿量程數字值將小于FFF8h（因為負偏移從轉換中減去）。在這種情況下，最小數字值將被鉗位在0000h。有關數字偏移的詳細信息將在后面的“偏移寄存器”部分中提供。

右移是數字值輸出前的最終操作。每個 MON 輸入具有三個位，用于控制所需的右移位數。（右移的好處將在后面討論。將三位設置為零將禁用右移功能。與偏移一樣，右移也會影響滿量程數字輸出。例如，如果設置為兩個右移，滿量程數字輸出將變為 3FFEh。執行移位后，該值將寫入用戶讀取轉換的相應寄存器（較低內存，寄存器64h-6Bh）。這也是用于警報和警告比較的值。

關于密碼訪問的說明

四個MON輸入的電平和失調值設置見DS02/DS1863的表1865h。若要讀取或寫入這些值，需要級別 2 密碼訪問 （PW2）。如果在密碼條目字節中輸入PW2級別條目的密碼（PWE位于較低內存中，寄存器7Bh-7Eh），則授予此訪問權限。

工廠校準的 MON 輸入

DS1863/DS1865 MON輸入均經過工廠調整至2.5V滿量程電壓。此外，每個數字失調在工廠編程為零，因此0V輸入將輸出0000h的數字值。右移出廠默認值也是 0。工廠校準的DS1863/DS1865的傳遞函數如圖2的圖B所示，稍后將介紹。

工廠調整的器件將輸出 8192 個數字值之一，輸入電壓范圍為 0 至 2.5V，305 位轉換的分辨率為 2μV （5.8192V/13）。理想情況下，要數字化的輸入信號是0至2.5V信號，以便利用整個范圍。但是，在實際應用程序中，情況并非總是如此。例如，對于接收電源（Rx Power），0至.5V的電壓是常見的，這意味著80%的數字輸出代碼永遠不會被使用。因此，能夠生成13個代碼的8192位ADC將僅輸出1638個代碼中的一個。其余 6554 個數字代碼將永遠不會使用。此外，在使用1638個代碼中，分辨率保持在305μV。

為了更好地利用13位ADC，必須將DS1863/DS1865 MON值重新校準至0.5V滿量程電壓。然而，僅重新校準MON值并不能解決輸入信號問題，因為LSB會發生變化，不再與所需的LSB匹配。最終，為了從ADC獲得最大性能，必須使用右移來調整比例和失調值。

內部校準和右移

當要監控的信號很小，因此不使用整個ADC范圍時，內部校準和右移是有益的。通過在模數轉換之前放大模擬域中的信號，然后將其除以數字域中的相同因子，可以保留所需的LSB。每右移一次（最多三），精度和準確度都會提高兩倍。經過三次右移后，精度或準確度不會進一步提高。

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A是要監控的示例信號的電壓與時間的關系圖。示例信號在0至0.5V之間擺幅。圖B和C表示MON輸入電壓與數字輸出的關系。后面的曲線分別顯示了工廠校準的傳遞函數、使用兩個右移位的示例傳遞函數和 2.5V/4 = 0.625V 的滿量程電壓。0.625V的滿量程電壓意味著浪費的代碼更少，從而導致轉換比2.5V滿量程電壓大四倍，但隨后又被四倍（兩個右移）分頻。下面將討論確定右移位數以及滿量程電壓。這里使用兩個右移只是為了比較右移示例與不右移。所使用的設備設置以及與每個傳遞函數相關的計算顯示在每個相應的傳遞函數下方。

圖2.數據說明了無右移位 （B） 與右移位 （C） 之間的比較。

圖 2 中的所有三個圖都在同一 y 軸和刻度上并排顯示。可以在輸入信號（圖A）和每個傳遞函數上的任何特定點上繪制一條水平線，以便對數字輸出進行粗略的近似。如果返回到0至0.5V的示例輸入信號，其中0.5V由所有三個圖的粗體水平線表示，則通過比較圖B和C可以看出右移的好處。當ADC的輸入范圍跨越的電壓范圍遠大于輸入信號范圍時，將浪費許多步長（見圖B）。1638 個中僅使用 8192 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。現在，6554個數字代碼中的8192個用于對信號進行數字化。此外，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字值來驗證。

確定需要多少次右移

應用所需的右移次數是滿量程電壓（內部校準）以及用于給定輸入信號的數字代碼百分比的函數。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字輸出。否則，在工程評估期間需要“動手”方法，以確定數字輸出的范圍，從而確定理想的正確換檔次數。動手方法詳述如下。

將右移位設置為 0。

在內部校準器件以產生所需的LSB，這將決定初始滿量程電壓。（本應用筆記稍后將討論此過程。

應用最大輸入信號并讀取相應的數字輸出以確定使用范圍。

確定使用的ADC范圍的百分比。如果數字讀數超過7FFFh，則不應使用右移（零右移）。但是，如果數字讀數小于7FFFh，則至少可以使用一個右移位。如果數字讀數小于3FFFh，則可以使用兩個右移，依此類推。表 1 對此進行了總結。

表 1.用于各種輸出范圍的右移位數

為了補償右移導致的數字值的劃分，必須在模擬域中添加增益，以保持所需的LSB。該增益的相加方法是使用以下公式計算新的滿量程電壓：

新滿量程電壓 = 初始滿量程電壓/2# 右移位

因此，如果步驟2的內部校準導致滿量程電壓為2.0V，并且如果數字讀數大于1FFFh但從未超過3FFFh，則兩次右移將是理想的。因此，本例的新滿量程電壓為2.0V/22= 0.5V。

在內部校準通道（右移位仍設置為0）至新的滿量程電壓。

將正確的移位設置為其新值。

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

內部校準和右移寄存器

DS1863/DS1865器件寄存器負責每個模擬通道的內部校準和右移設置，如表2所示。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，但本應用筆記將不作討論。數字轉換的位置也包含在表中，以顯示其相對位置。請注意，刻度、偏移和右移寄存器位于存儲器表02h中（不要與本應用筆記的表2混淆）。內存表02h是通過將02h寫入表中選擇下內存中的字節來選擇的，寄存器7Fh。

表 2.DS1863/DS1865內部校準和右移寄存器

刻度寄存器

刻度寄存器是一個雙字節值，通過調整輸入開關電容網絡來確定特定監控通道的增益/衰減量。因此，刻度寄存器允許用戶將滿量程電壓校準到~250mV至6.5536V之間的任何所需值。由于工藝變化和最終應用的不同要求，必須校準該寄存器。此校準和確定要寫入秤寄存器中的值的過程將在后面的“如何內部校準”部分中提供。

注意：校準DS1863/DS1865時，了解失調和右移寄存器的值非常重要。否則，如果這些值不為零且未補償，則不會按預期校準設備。

偏移寄存器

失調寄存器是一個雙字節值，用于確定應用于每個受監控輸入的數字偏移量。DS1863/DS1865的失調是轉換值的簡單數字加法或減法。因此，一旦比例被修剪到所需的值（并且在啟用右移之前），就可以對偏移進行編程，以消除任何偏移或移動范圍。

偏移量的計算方法是首先確定應添加或減去多少計數。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。此過程將產生您從所有轉化中減去的值。

需要寫入失調寄存器的值是通過在公式1中插入所需計數來計算的：

示例1：如果輸入電壓參考地以外的基準電壓源，則可以從測量值中減去該基準電壓源。假設當我們將引用應用于 MON 輸入時，讀取計數為 200 （C8h）。您可以使用偏移寄存器從模數轉換中減去 200 （C8h） 以將其歸零。使用等式確定要寫入寄存器的內容：

請記住，在這種情況下正在執行減法，因此滿量程計數 （FFF8h） 也將減少 C8h，從而得到新的滿量程計數 FF30h。

示例 2：假設您要向讀數添加 200 個計數。這將產生以下等式：

要計算新的滿量程計數，您需要（嘗試）將 C8h 添加到 FFF8h。但是，FFF8h是最大可能的讀數，因此滿量程計數將保持FFF8h。較低的計數不是 00h，而是 C8h，因為此偏移量將添加到所有讀數中。

示例 3：計算零偏移的偏移值：

這也是偏移寄存器的出廠默認設置。

右移寄存器

右移寄存器見表02h，寄存器8Eh-8Fh。由于 MON1 至 MON4 最多可以執行 1 個右移位，因此每個 MON 輸入需要 2 位。MON02 和 MON8 的設置位于表 3h，寄存器 4Eh，而 MON02 和 MON8 的設置駐留在表 1h 中，寄存器 00Fh。有關位的位置，請參閱數據手冊（或上面的表<>）中的存儲器圖。這些EEPROM寄存器的出廠默認值為<>h，禁用右移。

為了說明進一步右移的結果，圖3顯示了生成的MON值的幾個示例。

圖3.MON寄存器右移的示例。

如何進行內部校準

本應用筆記討論了二叉搜索方法。該算法的輸出是標度和偏移寄存器值，它們產生所需的傳遞函數，即所需的LSB。

要使用該算法，必須能夠做兩件事：將激光設置為兩種不同的強度，例如最小和接近最大值（約 90%）;并能夠經歷多次迭代。對于非光學應用，必須根據命令對MON輸入施加兩種不同的電壓。本應用筆記中提供的算法使用最大值的90%，因此可以進行“>”比較。但是，當應用所需滿量程的百分比時，計算數字值的相應百分比也很重要。

偽代碼示例

用于查找刻度的二叉搜索的解釋最好通過以下偽代碼示例提供。

/* Assume that the null input is 0.5V */
/* Assume that the desired LSB of the lowest weighted bit is 50μV */

	Max Reading = 65535 x 50e-6		/* 3.27675 */
	CNT1 = 0.5 / 50e-6 			/* 10000 */
	CNT2 = 0.90 x FS / 50e-6 		/* 58981.5 */

/* The null input is 0.5V and the 90% of FS input is 0.9*3.27675 = 2.949075V */
	Set the trim-offset-register to zero
	Set Right Shift register to zero (typically zero. See Right Shifting section above..)
	Scale_result = 0h
	Clamp = FFF8h/2Right_Shift_Register


	For n = 15 down to 0,
	Begin
		scale_result = scale_result + 2n
		Force the 90% FS input (2.949075V)

		Meas2 = read the digital result from the part
		If Meas2 >= Clamp then
			scale_result = scale_result – 2n
		Else
			Begin
				Force the null input (0.5V)
				Meas1 = read the digital result from the part
				If (Meas2 – Meas1) > (CNT2 – CNT1) then
					scale_result = scale_result – 2n
			End
End
Set the Scale register to scale_result

刻度寄存器現已設置，轉換分辨率將最好地匹配預期的LSB。下一步是校準DS1863/DS1865的失調。將正確的刻度值寫入刻度寄存器后，再次強制將零輸入輸入到引腳。讀取零件的數字結果（Meas1）。失調可以通過使用CNT1作為公式1中的輸入來計算。

偽代碼的解釋

該算法首先將偏移和右移寄存器設置為已知狀態，即零偏移和零右移。盡管此示例將兩個寄存器都設置為零，但只要對它們進行補償，就可以使用其他值。例如，當從編程偏移開始時，FFF8h可能不再是箝位的滿量程數字值。（請參閱偏移寄存器部分。除了初始化寄存器外，該算法還首先計算一些重要常數，這些常數是所需LSB的函數。

刻度值的二叉搜索首先將刻度寄存器設置為半刻度 8000h。然后，通過將90%最大輸入施加到要校準的MON通道，然后讀取相應的數字轉換來測試刻度值。此轉化值稱為 Meas2。檢查 Meas2 以查看它是否被鉗位，FFF8h（因為偏移和右移為零）。如果讀數被箝位，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，比例設置都太高。在二叉搜索方式中，刻度值被切成兩半，并重復該過程，直到找到非夾緊刻度值。

一旦找到非鉗位Meas2，算法就會通過強制零輸入并讀取其數字轉換來繼續。此轉換變為 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與所需的增量（CNT2 - CNT1）進行比較。如果 Meas2 - Meas1 大于 CNT2 - CNT1，則刻度再次減半。否則，如果 Meas2 - Meas1 小于 CNT2 - CNT1，則通過將刻度切成兩半來增加刻度，這次將其添加到當前刻度中。該過程將重復，直到總共執行 16 次迭代。結果是一個 16 位值，可產生所需的比例（和所需的 LSB）。

還有另一種可視化秤校準過程的方法。從 15 位刻度寄存器的 MSB （b16） 開始，將位設置為 1（所有其他位最初設置為 0）。當MSB = 1時，執行施加模擬輸入和讀取數字輸出的過程。如果讀數被鉗位，則刻度過高，MSB寫回0。否則，MSB 仍為 1。MSB現已為人所知。現在這個過程進入下一個位，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。現在完成該過程以確定增益是否仍然太高。如果是這樣，則 b14 變為 0。否則，它將變為 1。然后，該過程逐位繼續，直到確定所有 16 位。結果再次是一個 16 位值，它產生所需的比例。

一旦達到所需的刻度，就可以校準新的偏移量，或者可以將刻度保持在 0（無偏移）。校準方法取決于如何使用偏移特征。產品數據手冊中算法附帶的說明假設用戶希望應用負偏移來使數字讀數為零，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）產生數字輸出，例如20h，則可以對偏移進行編程，以便從每次轉換中數字減去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

以下示例旨在最好地演示本應用筆記中介紹的概念。

在此示例中，MON3 用于監視 Rx 電源。當施加 -40dBm 的最小輸入時，MON10 引腳的電壓為 3mV。該輸入所需的數字輸出為0000h。當施加0dBm輸入時，MON300提供3mV。在這種情況下，所需的數字輸出為2710h，選擇滿足SFF-8472規定的LSB（Rx功率的LSB為0.1μW）。

在本例中，確定理想的右移次數相對簡單，因為已經給出了所需數字輸出的范圍（0000h-2710h）。使用上面的表 1，理想的右移次數是 2710。為了使300h成為兩次右移后的最終輸出，我們可以得出結論，在右移之前，9mV的輸入必須導致40C9h的轉換。因此，對于40mV的輸入，內部校準將用于“增益”轉換至300C3h。一旦失調的內部校準和編程完成，將啟用兩個右移。表 <> 總結了我們的示例。

表 3.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3所示），數據手冊中提供的內部校準程序將用于對器件進行內部校準。例程首先執行一些初步計算，如下所示。請注意，此處未使用數據手冊例程中顯示的90%，因為第二個校準點（300mV = 9C40h）已經小于滿量程值的90%。

給定表 3，進行以下計算：

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

最大讀數 = LSB x 65535 = 7.25μV x 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）數字輸出。內部校準例程將迭代，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，DS1863/DS1865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 4 所示。

表 4 的第一列“迭代”等效于例程中的 n。列scale_result是每次迭代編程到Scale寄存器（設備表02h，寄存器98-99h）中的值。Meas2和Meas1列是從器件讀取的數字值，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scale_result太大。對應于該迭代的 Scale 位變為零，這反過來又決定了連續迭代的scale_result。完成所有 16 次迭代后，Scale 值就已知了。此示例中使用的設備導致縮放值為 5038h。

表 4.實際內部校準值

從表 3 中，我們看到迭代 3 中達到了最小增量（其中 Meas2 - Meas1 和 CNT2 - CNT1 都在 40000）。用戶可以在算法中添加一個變量，用于檢查在哪個迭代時達到最小增量，然后將該迭代的scale_result值用作 Scale 寄存器的值，而不是最終值。

將器件編程為其新的標度值時，通過強制10mV（我們想要讀取0000h的電壓）并讀取數字結果來確定偏移量。本例中使用的器件輸出值為0558h，施加10mV。使用偏移公式（公式 1），偏移計算如下：

MON3 偏移量 = -（-0558h/4） = 0156h

最后，新的鉗位值可以計算為：

新鉗位值（右移前）= FFF8h - 0558h = FAA0h

內部校準完成后，通過向表20h寫入02h，寄存器8Fh來啟用兩個右移位。

結論

DS1863/DS1865的內部校準和右移功能提供了最大的靈活性，使器件適合各種應用。本應用筆記提供了DS1863/DS1865數據資料中沒有的信息，特別是為什么內部校準和右移是有益的，以及如何實現它們。本文還提供了一個動手示例，將概念關聯在一起，并顯示內部校準過程中從DS1863/DS1865讀取的實際數據。

審核編輯：郭婷