《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TMS320C28x模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度校正
摘要: TMS320C28x系列DSP內(nèi)部集成ADC轉(zhuǎn)換模塊,為提高ADC轉(zhuǎn)換精度,對TMS320F2812的ADC模塊轉(zhuǎn)換誤差及其影響進行分析測試,,提出一種用于提高ADC模塊精度的校正算法。實際應(yīng)用證明使用該方法補償效果良好,,有效改善ADC的轉(zhuǎn)換精度,并具有普遍性,。
Abstract:
Key words :

  引 言:

  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(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)鍵部件,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)已經(jīng)成為一個相當(dāng)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(jié)果誤差較大,,如果直接將此轉(zhuǎn)換結(jié)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

理想ADC轉(zhuǎn)換與實際ADC轉(zhuǎn)換

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(jié)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,,分析如表1所列。

F2812模數(shù)轉(zhuǎn)換精度分析

  下面以y=x×1.05+80為例介紹各項值的計算,。當(dāng)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(jié)果減少0.2%,。

 

  在實際應(yīng)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,。

  對于雙極性輸入,,其0 V輸入的增益誤差對應(yīng)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。

理想情況下的電壓轉(zhuǎn)換電路

圖2理想情況下的電壓轉(zhuǎn)換電路

校正后的電壓轉(zhuǎn)換電路

圖3校正后的電壓轉(zhuǎn)換電路

  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(yīng)的結(jié)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,。

  ② 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(yīng)用于其他測量通道,對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)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,。

 

  2.2軟件實現(xiàn)

  與一般的ADC轉(zhuǎn)換程序相比,,帶校正的ADC轉(zhuǎn)換程序需要另外增加兩個程序段:校正值的計算以及利用校正值對ADC進行處理。為了方便操作及轉(zhuǎn)換結(jié)果獲取,,實現(xiàn)中定義了結(jié)構(gòu)體變量ADCCALIBRATIONVARS,,用來保存ADC轉(zhuǎn)換后的各種數(shù)據(jù)。另外,提高程序的通用性,,采樣的方式,、參考電壓值及高低電壓理想的轉(zhuǎn)換值均在ADC轉(zhuǎn)換頭文件ADCCalibration.h中定義。ADCCALIBRATIONVARS定義如下:

  typedefstruct{

  Uint*RefHighChAddr;//參考高電壓所連通道地址

  Uint*RefHighChAddr;//參考低電壓所連通道地址

  Uint*ChoAddr;//0通道地址

  UintAvg_RefHighActualCount;//參考高電壓實際轉(zhuǎn)換值

  UintAvg_RefHighActualCount;//參考低電壓實際轉(zhuǎn)換值

  UintRefHighIdealCount;//參考高電壓理想轉(zhuǎn)換值

  UintRefLowCount;//參考低電壓實際轉(zhuǎn)換值

  UintCalGain;//校正增益

  UintCalOffset;//校正失調(diào)

  //校正通道的轉(zhuǎn)換值

  UintCh0;

  UintCh16;

  }ADCCALIBRATIONVARS;

  整個A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)由中斷函數(shù)intADC()和主函數(shù)ADCCalibration()構(gòu)成,。中斷函數(shù)主要用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取,,而校正參數(shù)計算及各通道轉(zhuǎn)換結(jié)果的修正在主函數(shù)完成。校正完后,,將結(jié)果保存到所定義的結(jié)構(gòu)體變量中,。此處,對ADC的校正采用單采樣單校正的處理方法,,當(dāng)然也可以采用多采樣單校正的處理方法,,但是為了提高精度,如果設(shè)計系統(tǒng)開支允許,,建議最好使用單采樣單校正的方法,,以提高ADC精度,。

  2.3實驗結(jié)果

  筆者在自己所使用的F2812系統(tǒng)上進行了實驗,選用1 V和2 V作為參考電壓,,選用通道A6和A7作為參考通道,,通過對0 V、0.5 V,、1.5 V,、2.5 V校正前后的數(shù)據(jù)進行比較,發(fā)現(xiàn)采用上述校正方法后,,ADC的轉(zhuǎn)換準確度明顯得到改善,,比較結(jié)果如表2所列。

校正方法后

注:由參考電壓計算得:CalGain=0.965,;CalOffset=6.757,。

  表2中所給出的數(shù)據(jù)只是筆者進行大量實驗后所得數(shù)據(jù)的一組,實驗證明通過校正后ADC的誤差能被控制在0.5%以內(nèi),,這對大多數(shù)測控系統(tǒng)來說已滿足要求,,對于轉(zhuǎn)換精度要求更高的系統(tǒng),可以采用外擴A/D轉(zhuǎn)換器,。 

  結(jié)語

  A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路的核心部件,,其良好的精度與準確性是提高數(shù)據(jù)采集電路性能的關(guān)鍵。TMS320F2812作為TI公司推出的一款集微控制器及數(shù)字信號處理器于一身的32位處理器,,以其運行速度高和強大的處理功能得到廣泛應(yīng)用,,而對其ADC模塊精度的提高,將進一步提高其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用,。本文提出的用于提高ADC模塊精度的校正算法,,經(jīng)實際應(yīng)用證明實用可行。

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