提高TMS320F2812ADC精度的方法

TMS320F2812是主頻最高可達(dá)150 MHz的32位高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），內(nèi)部集成了ADC轉(zhuǎn)換模塊。ADC模塊是一個(gè)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(shí)間運(yùn)行在25 MHz、ADC時(shí)鐘或12.5 Msps，16個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器可工作于連續(xù)自動(dòng)排序模式或啟動(dòng)/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(gè)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(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(huì)降低控制精度。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，提高其轉(zhuǎn)換精度，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(guò)對(duì)F2812的ADC信號(hào)采集進(jìn)行多次測(cè)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(shí)際ADC轉(zhuǎn)換

1.2 影響分析

在計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，對(duì)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(duì)于數(shù)字量計(jì)算機(jī)可以直接讀取，而對(duì)于模擬量只有通過(guò)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(duì)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(duì)線性電壓輸入及A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。

F2812用戶手冊(cè)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。



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(shí)，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(shí)有效位數(shù)N=ln4015/ln2=11.971,mV/計(jì)數(shù)位=2.8013/4015=06977，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(huì)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(hào)經(jīng)常為雙極型信號(hào)，因此信號(hào)在送至ADC之前需要添加轉(zhuǎn)換電路，將雙極型信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極型信號(hào)。典型的轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。對(duì)于ADC模塊，考慮到增益誤差和失調(diào)誤差對(duì)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(duì)于雙極性輸入，其0 V輸入的增益誤差對(duì)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(guò)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(duì)ADC進(jìn)行校正，提高其轉(zhuǎn)換精度。



圖2理想情況下的電壓轉(zhuǎn)換電路