TMS320C28x模数转换器的精度校正

2万 · 2013-4-30 19:34

引言： 　　TMS320F2812是德州仪器公司（TI）推出的主频最高可达150 MHz的32位高性能数字信号处理器（DSP），内部集成了ADC转换模块。ADC模块是一个12位、具有流水线结构的模数转换器，内置双采样保持器（S/H），可多路选择16通道输入，快速转换时间运行在25 MHz、ADC时钟或12.5 Msps，16个转换结果寄存器可工作于连续自动排序模式或启动/停止模式。
　　在现代电子系统中，作为模拟系统与数字系统接口的关键部件，模数转换器（ADC）已经成为一个相当重要的电路单元，用于控制回路中的数据采集。在实际使用中，发现该ADC的转换结果误差较大，如果直接将此转换结果用于控制回路，必然会降低控制精度。为了克服这个缺点，提高其转换精度，笔者在进行了大量实验后，提出一种用于提高TMS320F2812ADC精度的方法，使得ADC精度得到有效提高。
1 ADC模块误差的定义及影响分析
　　1.1 误差定义
　　常用的A/D转换器主要存在：失调误差、增益误差和线性误差。这里主要讨论失调误差和增益误差。理想情况下，ADC模块转换方程为y=x×mi，式中x=输入计数值 =输入电压×4095/3；y=输出计数值。在实际中，A/D转换模块的各种误差是不可避免的，这里定义具有增益误差和失调误差的ADC模块的转换方程为y=x×ma±b，式中ma为实际增益，b为失调误差。通过对F2812的ADC信号采集进行多次测量后，发现ADC增益误差一般在5%以内，即0.95<MA<1.05，失调误差一般在2%以内，即-20<B<+20。ADC的理想状态及实际状态比较如图1所示。

图1理想ADC转换与实际ADC转换

2万 · 2013-4-30 19:34

1.2影响分析　　在计算机测控系统中，对象数据的采集一般包含两种基本物理量：模拟量和数字量。对于数字量计算机可以直接读取，而对于模拟量只有通过转换成数字量才能被计算机所接受，因此要实现对模拟量准确的采集及处理，模数转换的精度和准确率必须满足一定的要求。由于F2812的ADC具有一定增益误差的偏移误差，所以很容易造成系统的误操作。下面分析两种误差对线性电压输入及A/D转换结果的影响。
　　F2812用户手册提供的ADC模块输入模拟电压为0～3 V,而实际使用中由于存在增益误差和偏移误差，其线性输入被减小，分析如表1所列。

　　下面以y=x×1.05+80为例介绍各项值的计算。当输入为0时，输出为80，由于ADC的最大输出值为4095，则由式y=x×1.05+80求得输入最大电压值为2.8013。因此，交流输入电压范围为1.4007±1.4007，此时有效位数N=ln4015/ln2=11.971,mV/计数位=2.8013/4015=06977，其余项计算同上。表1中的最后一行显示了ADC操作的安全参数，其有效位数减少为11.865位，mV/计数位从0.7326增加为0.7345，这将会使转换结果减少0.2%。

　　在实际应用中，所采集的信号经常为双极型信号，因此信号在送至ADC之前需要添加转换电路，将双极型信号转化为单极型信号。典型的转换电路如图2所示。对于ADC模块，考虑到增益误差和失调误差对输入范围的影响，转换电路需要调整为如图3所示的电路。在图3中，输入增益误差的参考范围已经改变。

2万 · 2013-4-30 19:34

　对于双极性输入，其0 V输入的增益误差对应单极性输入的1.4315V的增益误差，因此，原有ADC的增益误差和失调误差被增大了。例如，如果ADC的增益误差为5%，失调误差为2%，则其双极性的增益误差计算如下：双极性输入x′= 0.0000 V，单极性的ADC输入电压x = 1.4315 V，其理想的转换值为ye=1.4315×4095/3=1954，而由ya=1954×1.05+80计算得实际转换值，则双极性增益误差为ya-ye=2132-1954=178(9.1%误差)。通过计算可以看出，ADC的误差大大增加，因此要使用ADC进行数据采集，就必须对ADC进行校正，提高其转换精度。

图2理想情况下的电压转换电路

图3校正后的电压转换电路

2万 · 2013-4-30 19:35

ADC校正　　2.1校正方法
　　通过以上分析可以看出，F2812的ADC转换精度较差的主要原因是存在增益误差和失调误差，因此要提高转换精度就必须对两种误差进行补偿。对于ADC模块采取了如下方法对其进行校正。

　　选用ADC的任意两个通道作为参考输入通道，并分别提供给它们已知的直流参考电压作为输入（两个电压不能相同），通过读取相应的结果寄存器获取转换值，利用两组输入输出值求得ADC模块的校正增益和校正失调，然后利用这两个值对其他通道的转换数据进行补偿，从而提高了ADC模块转换的准确度。图1示出了如何利用方程获取ADC的校正增益和校正失调。具体计算过程如下：

　　① 获取已知输入参考电压信号的转换值yL和yh。
　　② 利用方程y=x×ma+b及已知的参考值（xL，yL）和（xH，yH）计算实际增益及失调误差：
　　实际增益ma=(yH-yL)/（xH-xL）；
　　失调误差 b="yL" -xL×ma。
　　③ 定义输入x=y×CalGain-CalOffset，则由方程y=x×ma+b得校正增益CalGain=1/ma=（xH-xL）/(yH -yL)，校正失调CalOffset=b/ma=yL/ma-xL。
　　④ 将所求的校正增益及校正失调应用于其他测量通道，对ADC转换结果进行校正。
　　上述即为实现ADC校正的全过程，通过使用这种方法，ADC的转换精度有很大提高。由于这种方法是通过某个通道的误差去修正其他通道的误差，因此要采用这种方法，必须保证通道间具有较小的通道误差。对F2812ADC转换模块，由于其通道间的增益及失调误差均在0.2%以内，所以可以采用这种方法对其进行校正。

2万 · 2013-4-30 19:35

　　与一般的ADC转换程序相比，带校正的ADC转换程序需要另外增加两个程序段：校正值的计算以及利用校正值对ADC进行处理。为了方便操作及转换结果获取，实现中定义了结构体变量ADCCALIBRATIONVARS，用来保存ADC转换后的各种数据。另外,提高程序的通用性，采样的方式、参考电压值及高低电压理想的转换值均在ADC转换头文件ADCCalibration.h中定义。ADCCALIBRATIONVARS定义如下：
　　typedefstruct{
　　Uint*RefHighChAddr;//参考高电压所连通道地址
　　Uint*RefHighChAddr;//参考低电压所连通道地址
　　Uint*ChoAddr;//0通道地址
　　UintAvg_RefHighActualCount;//参考高电压实际转换值
　　UintAvg_RefHighActualCount;//参考低电压实际转换值
　　UintRefHighIdealCount;//参考高电压理想转换值
　　UintRefLowCount;//参考低电压实际转换值
　　UintCalGain;//校正增益
　　UintCalOffset;//校正失调
　　//校正通道的转换值
　　UintCh0;
　　UintCh16;
　　}ADCCALIBRATIONVARS;
　　整个A/D转换任务由中断函数intADC()和主函数ADCCalibration()构成。中断函数主要用于转换数据的读取，而校正参数计算及各通道转换结果的修正在主函数完成。校正完后，将结果保存到所定义的结构体变量中。此处，对ADC的校正采用单采样单校正的处理方法，当然也可以采用多采样单校正的处理方法，但是为了提高精度，如果设计系统开支允许，建议最好使用单采样单校正的方法，以提高ADC精度。
　　

2万 · 2013-4-30 19:35

2.3实验结果　　笔者在自己所使用的F2812系统上进行了实验，选用1 V和2 V作为参考电压，选用通道A6和A7作为参考通道，通过对0 V、0.5 V、1.5 V、2.5 V校正前后的数据进行比较，发现采用上述校正方法后，ADC的转换准确度明显得到改善，比较结果如表2所列。

注：由参考电压计算得：CalGain=0.965；CalOffset=6.757。

　　表2中所给出的数据只是笔者进行大量实验后所得数据的一组，实验证明通过校正后ADC的误差能被控制在0.5%以内，这对大多数测控系统来说已满足要求，对于转换精度要求更高的系统，可以采用外扩A/D转换器。
　　结语
　　A/D转换器是数据采集电路的核心部件，其良好的精度与准确性是提高数据采集电路性能的关键。TMS320F2812作为TI公司推出的一款集微控制器及数字信号处理器于一身的32位处理器，以其运行速度高和强大的处理功能得到广泛应用，而对其ADC模块精度的提高，将进一步提高其在控制领域中的应用。本文提出的用于提高ADC模块精度的校正算法，经实际应用证明实用可行。

1万 · 2013-4-30 19:38

TMS320F2812是德州仪器公司（TI）推出的主频最高可达150 MHz的32位高性能数字信号处理器（DSP），内部集成了ADC转换模块。ADC模块是一个12位、具有流水线结构的模数转换器，内置双采样保持器（S/H），可多路选择16通道输入，快速转换时间运行在25 MHz、ADC时钟或12.5 Msps，16个转换结果寄存器可工作于连续自动排序模式或启动/停止模式。