TMS320C28x模數轉換器的精度校正 - 全文

　　引言：

　　TMS320F2812內部集成了ADC轉換模塊。ADC模塊是一個12位、具有流水線結構的模數轉換器，內置雙采樣保持器(S/H)，可多路選擇16通道輸入，快速轉換時間運行在25 MHz、ADC時鐘或12.5 Msps，16個轉換結果寄存器可工作于連續自動排序模式或啟動/停止模式。

　　實際使用中，發現該ADC的轉換結果誤差較大，如果直接將此轉換結果用于控制回路，必然會降低控制精度。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轉換器主要存在：失調誤差、增益誤差和線性誤差。這里主要討論失調誤差和增益誤差。理想情況下，ADC模塊轉換方程為y=x×mi，式中x=輸入計數值 =輸入電壓×4095/3;y=輸出計數值。在實際中，A/D轉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誤差的ADC模塊的轉換方程為y=x×ma±b，式中ma為實際增益，b為失調誤差。通過對F2812的ADC信號采集進行多次測量后，發現ADC增益誤差一般在5%以內，即0.95

　　圖1理想ADC轉換與實際ADC轉換

　　1.2影響分析

　　在計算機測控系統中，對象數據的采集一般包含兩種基本物理量：模擬量和數字量。對于數字量計算機可以直接讀取，而對于模擬量只有通過轉換成數字量才能被計算機所接受，因此要實現對模擬量準確的采集及處理，模數轉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的誤操作。下面分析兩種誤差對線性電壓輸入及A/D轉換結果的影響。

　　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，分析如表1所列。

　　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=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N=ln4015/ln2=11.971,mV/計數位=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，其有效位數減少為11.865位，mV/計數位從0.7326增加為0.7345，這將會使轉換結果減少0.2%。

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

　　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的增益誤差和失調誤差被增大了。例如，如果ADC的增益誤差為5%，失調誤差為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，其理想的轉換值為ye=1.4315×4095/3=1954，而由ya=1954×1.05+80計算得實際轉換值，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進行數據采集，就必須對ADC進行校正，提高其轉換精度。

　　圖2理想情況下的電壓轉換電路

　　圖3校正后的電壓轉換電路

　　2 ADC校正

　　2.1校正方法

　　通過以上分析可以看出，F2812的ADC轉換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調誤差，因此要提高轉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，然后利用這兩個值對其他通道的轉換數據進行補償，從而提高了ADC模塊轉換的準確度。圖1示出了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調。具體計算過程如下：

　　① 獲取已知輸入參考電壓信號的轉換值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誤差：

　　實際增益ma=(yH-yL)/(xH-xL);

　　失調誤差 b="yL" -xL×ma。

　　③ 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CalOffset=b/ma=yL/ma-xL。

　　④ 將所求的校正增益及校正失調應用于其他測量通道，對ADC轉換結果進行校正。

　　上述即為實現ADC校正的全過程，通過使用這種方法，ADC的轉換精度有很大提高。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轉換模塊，由于其通道間的增益及失調誤差均在0.2%以內，所以可以采用這種方法對其進行校正。

　　2.2軟件實現

　　與一般的ADC轉換程序相比，帶校正的ADC轉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。為了方便操作及轉換結果獲取，實現中定義了結構體變量ADC?CALIBRATION?VARS，用來保存ADC轉換后的各種數據。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換值均在ADC轉換頭文件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;//參考高電壓實際轉換值

　　UintAvg_RefHighActualCount;//參考低電壓實際轉換值

　　UintRefHighIdealCount;//參考高電壓理想轉換值

　　UintRefLowCount;//參考低電壓實際轉換值

　　UintCalGain;//校正增益

　　UintCalOffset;//校正失調

　　//校正通道的轉換值

　　UintCh0;

　　UintCh16;

　　}ADC?CALIBRATION?VARS;

　　整個A/D轉換任務由中斷函數intADC()和主函數ADCCalibration()構成。中斷函數主要用于轉換數據的讀取，而校正參數計算及各通道轉換結果的修正在主函數完成。校正完后，將結果保存到所定義的結構體變量中。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，如果設計系統開支允許，建議最好使用單采樣單校正的方法，以提高ADC精度。

　　2.3實驗結果

　　筆者在自己所使用的F2812系統上進行了實驗，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校正前后的數據進行比較，發現采用上述校正方法后，ADC的轉換準確度明顯得到改善，比較結果如表2所列。