一種基于DSP的AD采樣自校正軟硬件設(shè)計(jì)

高志斌 ，鄒 波 ，張 麗 ，王力文 ，鄒詩(shī)苑

（1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201100；2.上海自動(dòng)化儀表有限公司，上海 200072）

TMS320F28335型DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊是12位帶流水線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，理論上來(lái)講，ADC模塊的采樣精度還是較好的，但是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般ADC模塊的采樣精度實(shí)際都會(huì)比理論值少3位，也就是說(shuō)12位的ADC模塊，在采樣精度比較好的情況下可以達(dá)到9位，也就是1/512，約為0.2%。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，ADC模塊的精度往往不盡如人意，采樣值和實(shí)際值之間的相對(duì)誤差有時(shí)候最大可以達(dá)到15%，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了很大的困擾[1]。

1 影響AD采樣精度的誤差來(lái)源

ADC的模擬電路包括前端模擬多路復(fù)用開(kāi)關(guān)（MUXs）、采樣/保持（S/H）電路、變換核心、電壓調(diào)節(jié)器以及其他模擬支持電路部分。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電路為本文中所指的外圍部分，包括可編程的轉(zhuǎn)換序列發(fā)生器、結(jié)果寄存器、與模擬電路的接口、與設(shè)備外圍總線的接口以及與其他芯片模塊的接口[2]。

1.1 偏移與增益誤差

AD器件理想輸出與實(shí)際輸出之差定義為偏移誤差。所有數(shù)字代碼都存在這種誤差。在實(shí)際中，偏移誤差會(huì)使傳遞函數(shù)或模擬輸入電壓與對(duì)應(yīng)數(shù)值輸出代碼間存在一個(gè)固定的偏移。

增益誤差是預(yù)估傳遞參數(shù)和實(shí)際斜率的差別，增益誤差通常在模數(shù)轉(zhuǎn)換器最末或最后一個(gè)傳輸代碼轉(zhuǎn)換點(diǎn)計(jì)算。

1.2 積分非線性和差分非線性誤差

模數(shù)器件的精度指標(biāo)是用積分非線性值INL來(lái)表示的。這個(gè)參數(shù)表示了ADC器件在所有的數(shù)值點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的模擬值和真實(shí)值之間誤差最大的那一點(diǎn)誤差值。也就是輸出數(shù)值偏離線性最大的距離，單位是LSB（即最低位所表示的量）。

差分非線性值DNL是指ADC相鄰2個(gè)刻度之間最大的差異。理論上說(shuō)，模數(shù)器件相鄰2個(gè)數(shù)據(jù)之間模擬量的差值都是一樣的，就如同一把粗細(xì)均勻的尺子。但實(shí)際一把分辨率為1 cm的尺子，相鄰2個(gè)刻度之間也不可能都是整數(shù)1 cm。

從數(shù)學(xué)上來(lái)講，INL是DNL誤差的數(shù)學(xué)積分，一個(gè)具有良好INL的ADC保證有良好的DNL。

1.3 溫度漂移誤差

溫度漂移為隨著溫度的變化而產(chǎn)生的誤差。一般用ppm/K或者ppm/℃來(lái)表示，計(jì)算公式為ΔGain/ΔTemperature。

2 校正AD采樣結(jié)果的軟硬件設(shè)計(jì)方法

2.1 AD采樣校正原理

需要獲得當(dāng)前采樣的各項(xiàng)誤差參數(shù)來(lái)決定AD采樣的校正措施[4]。通常計(jì)算偏移誤差方法是測(cè)量第一個(gè)數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換或“零”轉(zhuǎn)換的電壓，并將它與理論零點(diǎn)電壓相比較。為了找到零點(diǎn)與最后一個(gè)轉(zhuǎn)換代碼，可以采用多種測(cè)量方式，最常用的是代碼平均法和電壓抖動(dòng)法。

代碼平均測(cè)量就是不斷增大器件的輸入電壓，然后檢測(cè)轉(zhuǎn)換出的結(jié)果。每次增大輸入電壓都會(huì)得到一些轉(zhuǎn)換代碼，用這些代碼的和算出一個(gè)平均值，測(cè)量產(chǎn)生這些平均轉(zhuǎn)換代碼的輸入電壓，計(jì)算出器件偏移和增益。

電壓抖動(dòng)法采用動(dòng)態(tài)反饋回路控制器件輸入電壓，根據(jù)轉(zhuǎn)換代碼和預(yù)期代碼的差對(duì)輸入電壓進(jìn)行增減調(diào)整，直到2種代碼之間的差值為0，當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)換代碼接近輸入電壓或在轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近變化時(shí)，測(cè)量所施加的“抖動(dòng)”電壓平均值，計(jì)算偏移和增益。

根據(jù)積分非線性INL、差分非線性DNL和溫度漂移誤差會(huì)做出極為復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于實(shí)際DSP工業(yè)控制應(yīng)用沒(méi)有太大意義，在本文中我們重點(diǎn)提出偏移與增益誤差的解決方法。

如圖 1所示，假設(shè)ADC實(shí)際增益為Ga，實(shí)際偏移量為b，則模擬量輸入X與數(shù)字量輸出Y之間的關(guān)系為Y′=GaX+b。我們這里有Ga和b 2個(gè)未知量，則只需要知道這2個(gè)未知量就可以通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖寄存器得到數(shù)據(jù)Y，就可以知道實(shí)際輸入的電壓X。對(duì)于二元一次方程，至少需要由2個(gè)方程組成的二元一次方程組，且其中的（X1，Y1），（X2，Y2）已知，Ga和b就可以通過(guò)求解式（1）方程組得出。

圖1 ADC模塊的轉(zhuǎn)換特性曲線Fig.1 Transfer characteristic of AD module

在工業(yè)控制中，比較常見(jiàn)的一種做法是將2路精準(zhǔn)電源提供給ADC的任意2個(gè)輸入通道，如ADCINA0和ADCINB0，精準(zhǔn)電源的輸入電壓是很容易確定的，也就是X1和X2，然后通過(guò)讀取ADCINA0和ADCINB0的轉(zhuǎn)換結(jié)果來(lái)獲得Y1和Y2。這樣，可以得到轉(zhuǎn)換過(guò)程中的實(shí)際增益Ga和實(shí)際的偏移量 b，如式（2）所示。

然后，可以根據(jù)數(shù)字量轉(zhuǎn)換結(jié)果Y，得到實(shí)際輸入量 X=（Y-b）/Ga。

2.2 AD采樣硬件設(shè)計(jì)原理

DSP應(yīng)用環(huán)境主要在工業(yè)控制領(lǐng)域，考慮到實(shí)際軟硬件成本和經(jīng)濟(jì)效益，需要以一個(gè)盡可能小的軟硬件開(kāi)銷完成采樣精度的要求。

在TMS320F28335的工業(yè)應(yīng)用中，2路高精度電壓源成本過(guò)高，對(duì)于嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要占用大量的PCB空間。而且用2路不同的ADCIN信號(hào)來(lái)對(duì)其他信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)有些浪費(fèi)。在工程實(shí)踐中，同樣的電壓經(jīng)過(guò)相同型號(hào)器件組成的濾波、運(yùn)算電路之后，由于各個(gè)通道的各個(gè)器件均會(huì)有不同的溫度漂移誤差、積分與差分非線性誤差等，DSP寄存器采樣的結(jié)果是有差別的，也就是說(shuō)不同ADn采樣線路的實(shí)際增益Gan和實(shí)際的偏移量bn是不同的。對(duì)此，本文提出一種新的采樣自校正方法，其中某一路n的硬件原理如圖 2所示。

圖2 AD自校正硬件原理Fig.2 Hardware principle block diagram of AD self-tunning

在繼電器1和繼電器2的選用中，可以選擇由一個(gè)線圈控制多路觸點(diǎn)吸合的繼電器以降低成本，也可以選擇一個(gè)線圈控制一個(gè)觸點(diǎn)的繼電器，但是通過(guò)DSP同一個(gè)或多個(gè)GPIO口來(lái)控制繼電器吸合。

在TMS320F28335控制模塊中，利用GPIO口通過(guò)放大電路給繼電器1和繼電器2的線圈通斷電來(lái)控制繼電器的吸合。在DSP啟動(dòng)過(guò)程中，可以先將繼電器1，2的a觸點(diǎn)吸合，取得在基準(zhǔn)電壓X1下的數(shù)字量輸出Y1n，然后將繼電器2的b觸點(diǎn)吸合，取得在基準(zhǔn)電壓X2下的數(shù)字量輸出Y2n，然后可以根據(jù)式（2）算出該路的實(shí)際增益Gan和實(shí)際的偏移量bn，最后將繼電器1的b觸點(diǎn)吸合，接入待采樣信號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)際信號(hào)的采樣工作。

實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，該基準(zhǔn)電壓源1和2接近待采樣電信號(hào)電壓范圍上下限容易經(jīng)校正后獲得較為精確的結(jié)果。為更進(jìn)一步降低造價(jià)可以將基準(zhǔn)電源2去掉，該路直接接地，這樣可以得出該采樣路的實(shí)際偏移量bn，但是會(huì)降低一部分采樣的精度。

2.3 AD采樣軟件設(shè)計(jì)原理

進(jìn)行AD采樣的步驟如下[4]：

步驟1初始化系統(tǒng)控制、PLL、看門狗、使能外設(shè)時(shí)鐘等；

步驟2初始化GPIO及外設(shè)等；

步驟3設(shè)置ADC的采樣率等；

步驟4將繼電器設(shè)置成觸點(diǎn)連接到基準(zhǔn)電源狀態(tài)；

步驟5軟件啟動(dòng)ADC采樣，得出各通道對(duì)應(yīng)的增益和偏移；

步驟6進(jìn)入主循環(huán)，根據(jù)需要對(duì)各通道進(jìn)行采樣。

對(duì)于TMS320F28335型DSP而言，序列模式下對(duì) 于 150 MHzSYSCLKOUT， 采 樣 率 =1/［（2+ACQ_PS）*ADC時(shí)鐘 （ns）］， 同時(shí)采樣模式下采樣率=1/［（3+ACQ_PS）*ADC 時(shí)鐘（ns）］。

其中計(jì)算增益代碼如下：

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，采用了本AD采樣自校正方法的DSP采樣系統(tǒng)的采樣精度得到了很大的提高。此校正方法對(duì)其他非DSP的嵌入式或非嵌入式AD采樣系統(tǒng)有一定參考作用。

[1]姜艷波.數(shù)字信號(hào)處理器DSP應(yīng)用100例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]竺南直.TMS320 F2812 DSP原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]劉向宇.DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]劉陵順.TMS320F28335 DSP原理與開(kāi)發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.