一种提高数字处理器ADC精度的方法

　　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

　　图1理想ADC转换与实际ADC转换

　　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。

　　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。

　　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

　　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。

　　2 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。