一種提高數(shù)字處理器ADC精度的方法

　　TMS320F2812是德州儀器公司（TI）推出的主頻最高可達150 MHz的32位高性能數(shù)字信號處理器（DSP），內(nèi)部集成了ADC轉(zhuǎn)換模塊。ADC模塊是一個12位、具有流水線結構的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙采樣保持器（S/H），可多路選擇16通道輸入，快速轉(zhuǎn)換時間運行在25 MHz、ADC時鐘或12.5 Msps，16個轉(zhuǎn)換結果寄存器可工作于連續(xù)自動排序模式或啟動/停止模式。

　　在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，作為模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口的關鍵部件，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）已經(jīng)成為一個相當重要的電路單元，用于控制回路中的數(shù)據(jù)采集。在實際使用中，發(fā)現(xiàn)該ADC的轉(zhuǎn)換結果誤差較大，如果直接將此轉(zhuǎn)換結果用于控制回路，必然會降低控制精度。為了克服這個缺點，提高其轉(zhuǎn)換精度，筆者在進行了大量實驗后，提出一種用于提高TMS320F2812ADC精度的方法，使得ADC精度得到有效提高。

　　1 ADC模塊誤差的定義及影響分析

　　1.1 誤差定義

　　常用的A/D轉(zhuǎn)換器主要存在：失調(diào)誤差、增益誤差和線性誤差。這里主要討論失調(diào)誤差和增益誤差。理想情況下，ADC模塊轉(zhuǎn)換方程為y=x×mi，式中x=輸入計數(shù)值 =輸入電壓×4095/3；y=輸出計數(shù)值。在實際中，A/D轉(zhuǎn)換模塊的各種誤差是不可避免的，這里定義具有增益誤差和失調(diào)誤差的ADC模塊的轉(zhuǎn)換方程為y=x×ma±b，式中ma為實際增益，b為失調(diào)誤差。通過對F2812的ADC信號采集進行多次測量后，發(fā)現(xiàn)ADC增益誤差一般在5%以內(nèi)，即0.95

　　圖1理想ADC轉(zhuǎn)換與實際ADC轉(zhuǎn)換

　　1.2 影響分析

　　在計算機測控系統(tǒng)中，對象數(shù)據(jù)的采集一般包含兩種基本物理量：模擬量和數(shù)字量。對于數(shù)字量計算機可以直接讀取，而對于模擬量只有通過轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能被計算機所接受，因此要實現(xiàn)對模擬量準確的采集及處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度和準確率必須滿足一定的要求。由于F2812的ADC具有一定增益誤差的偏移誤差，所以很容易造成系統(tǒng)的誤操作。下面分析兩種誤差對線性電壓輸入及A/D轉(zhuǎn)換結果的影響。

　　F2812用戶手冊提供的ADC模塊輸入模擬電壓為0～3 V，而實際使用中由于存在增益誤差和偏移誤差，其線性輸入被減小。

　　下面以y=x×1.05+80為例介紹各項值的計算。當輸入為0時，輸出為80，由于ADC的最大輸出值為4095，則由式y(tǒng)=x×1.05+80求得輸入最大電壓值為2.8013。因此，交流輸入電壓范圍為1.4007±1.4007，此時有效位數(shù)N=ln4015/ln2=11.971，mV/計數(shù)位=2.8013/4015=06977，其余項計算同上。表1中的最后一行顯示了ADC操作的安全參數(shù)，其有效位數(shù)減少為11.865位，mV/計數(shù)位從0.7326增加為0.7345，這將會使轉(zhuǎn)換結果減少0.2%。

　　在實際應用中，所采集的信號經(jīng)常為雙極型信號，因此信號在送至ADC之前需要添加轉(zhuǎn)換電路，將雙極型信號轉(zhuǎn)化為單極型信號。典型的轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。對于ADC模塊，考慮到增益誤差和失調(diào)誤差對輸入范圍的影響，轉(zhuǎn)換電路需要調(diào)整為如圖3所示的電路。在圖3中，輸入增益誤差的參考范圍已經(jīng)改變。

　　圖2理想情況下的電壓轉(zhuǎn)換電路

　　圖3校正后的電壓轉(zhuǎn)換電路

　　對于雙極性輸入，其0 V輸入的增益誤差對應單極性輸入的1.4315V的增益誤差，因此，原有ADC的增益誤差和失調(diào)誤差被增大了。例如，如果ADC的增益誤差為5%，失調(diào)誤差為2%，則其雙極性的增益誤差計算如下：雙極性輸入x′= 0.0000 V，單極性的ADC輸入電壓x = 1.4315 V，其理想的轉(zhuǎn)換值為ye=1.4315×4095/3=1954，而由ya=1954×1.05+80計算得實際轉(zhuǎn)換值，則雙極性增益誤差為ya-ye=2132-1954=178（9.1%誤差）。通過計算可以看出，ADC的誤差大大增加，因此要使用ADC進行數(shù)據(jù)采集，就必須對ADC進行校正，提高其轉(zhuǎn)換精度。

　　2 ADC校正

　　2.1校正方法

　　通過以上分析可以看出，F(xiàn)2812的ADC轉(zhuǎn)換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調(diào)誤差，因此要提高轉(zhuǎn)換精度就必須對兩種誤差進行補償。對于ADC模塊采取了如下方法對其進行校正。

　　選用ADC的任意兩個通道作為參考輸入通道，并分別提供給它們已知的直流參考電壓作為輸入（兩個電壓不能相同），通過讀取相應的結果寄存器獲取轉(zhuǎn)換值，利用兩組輸入輸出值求得ADC模塊的校正增益和校正失調(diào)，然后利用這兩個值對其他通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進行補償，從而提高了ADC模塊轉(zhuǎn)換的準確度。圖1示出了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調(diào)。具體計算過程如下：

　?、?獲取已知輸入?yún)⒖茧妷盒盘柕霓D(zhuǎn)換值yL和yh。

　?、?利用方程y=x×ma+b及已知的參考值（xL，yL）和（xH，yH）計算實際增益及失調(diào)誤差：

　　實際增益ma=（yH-yL）/（xH-xL）；

　　失調(diào)誤差 b=“yL” -xL×ma。

　?、?定義輸入x=y×CalGain-CalOffset，則由方程y=x×ma+b得校正增益CalGain=1/ma=（xH-xL）/（yH -yL），校正失調(diào)CalOffset=b/ma=yL/ma-xL。

　?、?將所求的校正增益及校正失調(diào)應用于其他測量通道，對ADC轉(zhuǎn)換結果進行校正。

　　上述即為實現(xiàn)ADC校正的全過程，通過使用這種方法，ADC的轉(zhuǎn)換精度有很大提高。由于這種方法是通過某個通道的誤差去修正其他通道的誤差，因此要采用這種方法，必須保證通道間具有較小的通道誤差。對F2812ADC轉(zhuǎn)換模塊，由于其通道間的增益及失調(diào)誤差均在0.2%以內(nèi)，所以可以采用這種方法對其進行校正。