TMS320C28x模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度校正 - 全文

　　引 言：

　　TMS320F2812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(yùn)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。

　　實(shí)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。筆者在進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)值 =輸入電壓×4095/3;y=輸出計(jì)數(shù)值。在實(shí)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(shí)際增益，b為失調(diào)誤差。通過對F2812的ADC信號采集進(jìn)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

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　　圖1理想ADC轉(zhuǎn)換與實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換

　　1.2影響分析

　　在計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)所接受，因此要實(shí)現(xiàn)對模擬量準(zhǔn)確的采集及處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度和準(zhǔn)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(shí)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。

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　　下面以y=x×1.05+80為例介紹各項(xiàng)值的計(jì)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(jì)數(shù)位=2.8013/4015=0?6977，其余項(xiàng)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)算得實(shí)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(jì)算可以看出，ADC的誤差大大增加，因此要使用ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，就必須對ADC進(jìn)行校正，提高其轉(zhuǎn)換精度。

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　　圖2理想情況下的電壓轉(zhuǎn)換電路

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　　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(jìn)行補(bǔ)償。對于ADC模塊采取了如下方法對其進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)償，從而提高了ADC模塊轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)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(jì)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(jì)算實(shí)際增益及失調(diào)誤差：

　　實(shí)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(jìn)行校正。

　　上述即為實(shí)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(jìn)行校正。

　　2.2軟件實(shí)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(jì)算以及利用校正值對ADC進(jìn)行處理。為了方便操作及轉(zhuǎn)換結(jié)果獲取，實(shí)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(shí)際轉(zhuǎn)換值

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

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

　　UintRefLowCount;//參考低電壓實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　筆者在自己所使用的F2812系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)采用上述校正方法后，ADC的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度明顯得到改善，比較結(jié)果如表2所列。

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　　注：由參考電壓計(jì)算得：CalGain=0.965;CalOffset=6.757。

　　表2中所給出的數(shù)據(jù)只是筆者進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)后所得數(shù)據(jù)的一組，實(shí)驗(yàn)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(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器。

　　結(jié)語

　　TMS320F2812ADC模塊精度的提高，將進(jìn)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(shí)際應(yīng)用證明實(shí)用可行。