一種提高國(guó)產(chǎn)ADC模塊采樣精度的方法

周永明，許進(jìn)亮，王淑煒，王真真，張洪彬

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076； 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

一種提高國(guó)產(chǎn)ADC模塊采樣精度的方法

周永明1，許進(jìn)亮1，王淑煒2，王真真1，張洪彬1

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076； 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

為解決武器裝備自主可控問題，以國(guó)產(chǎn)的處理器和多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)為核心，設(shè)計(jì)了一種完全國(guó)產(chǎn)化的多通道模擬信號(hào)采集模塊;由于目前國(guó)產(chǎn)模擬芯片特別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度指標(biāo)較差，造成模擬信號(hào)采集模塊精度較低，實(shí)用性較差;為提高采樣精度，首先在采樣時(shí)采用遞推平均濾波方法，抑制采集信號(hào)中的周期性干擾，降低采集的隨機(jī)誤差;其次，對(duì)預(yù)先測(cè)量的幾組數(shù)值進(jìn)行一元線性回歸，據(jù)此對(duì)采樣值進(jìn)行最小二乘估計(jì)，降低采集的固有偏置誤差和增益誤差;試驗(yàn)結(jié)果表明，該多通道模擬信號(hào)采集模塊可同時(shí)采集多路模擬信號(hào)，采樣精度高，最大采集誤差由0.8%降低到0.12%，并且該模塊通道間一致性好，可靠性高，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%，在武器裝備中有良好的應(yīng)用前景。

提高;國(guó)產(chǎn)ADC;采樣精度;遞推平均濾波;最小二乘估計(jì)

0 引言

模擬采集模塊作為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的橋梁，在電子系統(tǒng)中發(fā)揮非常重要的作用，在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域也有非常大需求，比如雷達(dá)、電子對(duì)抗設(shè)備、軍用通信設(shè)備等[1]。在某型號(hào)信息化發(fā)射平臺(tái)中，需要采集系統(tǒng)壓力、流量、位移等多種模擬量，并對(duì)采樣精度有較高要求。隨著近些年國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用國(guó)產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)模擬采集模塊，實(shí)現(xiàn)裝備的自主可控成為可能。

但是，目前國(guó)產(chǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的精度普遍不高，特別是能夠同時(shí)完成多路模擬信號(hào)采集的ADC，精度指標(biāo)較差。與進(jìn)口ADC相比，國(guó)產(chǎn)ADC在非線性誤差、信號(hào)與噪聲加失真比(SINAD)等指標(biāo)方面都有較大差距，表 1所示為可相互替代的進(jìn)口14位ADC TLC3578和國(guó)產(chǎn)14位ADC SAD3578性能指標(biāo)對(duì)比。根據(jù)公式(1)，利用SINAD估算兩款A(yù)DC的有效位數(shù)(ENOB)分別為12.2位和9.7位，精度差別較大。

(1)

本文基于國(guó)產(chǎn)處理器和ADC，設(shè)計(jì)了一種完全國(guó)產(chǎn)、自主可控的多通道模擬信號(hào)采集模塊，并采用遞推平均濾波方法和最小二乘估計(jì)方法，大幅提高了模擬信號(hào)采集精度，對(duì)裝備中類似模塊具有較好的借鑒價(jià)值，有良好的應(yīng)用前景。

1 硬件設(shè)計(jì)

為了避免模擬多路選擇器的誤差對(duì)系統(tǒng)誤差造成影響，同時(shí)考慮電路的體積和成本，優(yōu)先選擇包含多個(gè)模擬通道的ADC，用單片ADC和對(duì)應(yīng)的模擬調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)采集。模擬信號(hào)采集模塊主要由模擬信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 模擬調(diào)理電路

模擬調(diào)理電路將4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)的幅值調(diào)整到合適的范圍，以最大限度地利用ADC的滿量程范圍，降低采樣誤差。

模擬調(diào)理電路原理圖如圖2所示。調(diào)理運(yùn)放選擇749廠的低噪聲高精度運(yùn)算放大器F07，該運(yùn)放失調(diào)電壓僅為75 uV。由于運(yùn)放輸入阻抗無窮大，輸入的4～20 mA電流僅流過200歐姆精密電阻，轉(zhuǎn)換為0.8～4 V電壓輸入到運(yùn)放同相輸入端。經(jīng)過運(yùn)放放大，轉(zhuǎn)換為1.6～8 V電壓給ADC。模擬調(diào)理電路輸出電壓-輸入電流關(guān)系為：

(2)

其中:IIN為輸入電流(mA)，VO為模擬調(diào)理電路的輸出電壓(V)。

圖2 模擬調(diào)理電路

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

ADC選擇中電24所的14位八通道ADCSAD3578，為目前國(guó)產(chǎn)最高分辨率的多通道ADC芯片。SAD3578是一種14位逐次逼近型電容結(jié)構(gòu)ADC，該芯片模擬信號(hào)輸入范圍為-10～10V，最高工作時(shí)鐘頻率15MHz，最大采樣率200KSPS，積分非線性誤差最大為2LSB。該芯片非常適合數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)[2]。

參考電壓芯片選擇中電24所專為SAD3578配套的參考電壓芯片SW814，該芯片通過管腳編程，可以輸出4V和2.5V參考電壓，并具有噪聲消除端，通過外接電容，可極大地改善電路的噪聲特性。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖 3所示。主要由SAD3578和參考電壓芯片SW814組成。模擬輸入端接入模擬調(diào)理電路輸出的六路模擬信號(hào)，第7、8路分別接模擬地和8V參考電壓，方便實(shí)現(xiàn)在線精度校正?？刂贫伺c控制器通過SPI接口相連，接收控制器的控制指令，完成采集后通過EOC引腳通知控制電路并通過SPI接口上傳采集數(shù)據(jù)。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1.3 控制電路

控制電路的處理器芯片選擇中電58所的DSP芯片JDSP320F2812，該芯片與TI公司的SMJ320F2812芯片兼容，硬件電路和軟件開發(fā)均與SMJ320F2812相同，降低了開發(fā)門檻。該CPU是高性能的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，具有EV、高精度12位ADC、SCI、SPI、McBSP、CAN2.0等多種外設(shè)，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

DSP與SAD3578之間通過SPI接口傳送指令和數(shù)據(jù)。SAD3578的IO為5V電平信號(hào)，而DSP的IO為3.3V電平信號(hào)，為保護(hù)DSP的IO引腳，在SAD3578和DSP之間用164245芯片設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

SAD3578是8路14位串行輸入輸出的AD轉(zhuǎn)換器，可以配置不同工作模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本文使用單點(diǎn)轉(zhuǎn)換模式，通過SPI接口配置ADC的采樣參數(shù)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采樣，讀取采樣數(shù)據(jù)。圖4為采樣M次6通道模擬量的軟件流程圖。

圖4 多通道模擬信號(hào)采集流程圖

上電后DSP處理器首先完成一系列初始化工作，包括DSP時(shí)鐘初始化、SPI接口初始化、電平轉(zhuǎn)換芯片JALVC164245使能和方向控制端的初始化以及SAD3578的初始化。

初始化完成后，依次進(jìn)行各通道采樣。SAD3578的數(shù)據(jù)采樣由DSP通過SPI接口向其發(fā)送一個(gè)采集指令來啟動(dòng)，采集指令為16位控制字，前四位為采集的通道代號(hào)，分別為0～7，后12位為預(yù)留位，無具體功能。SAD3578接收到采集指令后，先進(jìn)行采樣，采樣的時(shí)間由初始化時(shí)的配置位決定(長(zhǎng)采樣或短采樣)。采樣完成后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳EOC由低電平變?yōu)楦唠娖?，DSP檢測(cè)到轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志后，向SAD3578發(fā)送下一條采集指令，同時(shí)接收上一次采集的數(shù)據(jù)。

SAD3578的采集數(shù)據(jù)左對(duì)齊，共14位，因此DSP接收到采集數(shù)據(jù)之后先右移兩位，然后根據(jù)公式(2)和(3)轉(zhuǎn)換為電壓值和電流值。

(3)

(4)

其中:VO為采集的輸入電壓值，單位為V，Is為采集的電流值，單位為mA。

2.2 軟件濾波

利用2.1節(jié)所述采集各通道數(shù)據(jù)，繪圖分析多次采樣數(shù)據(jù)的分布直方圖，圖 5所示為輸入電流12mA時(shí)，1 000次采樣數(shù)據(jù)的分布直方圖，基本符合均值為12.037，標(biāo)準(zhǔn)差為0.014 4的正態(tài)分布。從圖5中可以看出，當(dāng)輸入恒定電流時(shí)，多次采樣值中包含隨機(jī)誤差。

圖5 輸入電流12 mA時(shí)，1 000次采樣數(shù)據(jù)的分布直方圖

為減小采集的隨機(jī)誤差，消除信號(hào)抖動(dòng)影響，在軟件上采取多次采樣，去除最大值和最小值，然后遞推平均濾波的方法，抑制采集信號(hào)中的周期性干擾。采樣結(jié)果的計(jì)算公式如公式(5)所示:

(5)

其中:i為濾波后的采樣值，ik(k=1～N)為N次原始采樣值隊(duì)列，imax和imin分別為ik隊(duì)列的最大值和最小值。當(dāng)獲取一個(gè)新原始采樣值后，該值入隊(duì)，原隊(duì)列的首個(gè)數(shù)據(jù)出隊(duì)，依次類推。

圖6所示為軟件濾波前后，輸入電流值分別為4mA、12mA、20mA時(shí)，1 000次采樣數(shù)據(jù)的分布對(duì)比圖，圖中同時(shí)標(biāo)示出了采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出，經(jīng)過軟件濾波后，采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差大大減小，分布更加集中。但是，采樣電流值與輸入電流值相比，仍有恒定的正偏置誤差。不同通道的最大采樣誤差隨輸入電流的關(guān)系如圖 7所示。

圖6 濾波前后，1 000次采樣數(shù)據(jù)的分布直方圖對(duì)比

圖7 六通道模擬信號(hào)最大誤差隨輸入電流變化曲線

2.3 最小二乘估計(jì)

SAD3578的輸入引腳輸入-10～+10V的模擬信號(hào)，通過圖 8[3]所示的電路轉(zhuǎn)換為0～4V的模擬電壓，再與4V的參考電壓相比，得出最后的轉(zhuǎn)換值。

圖8 SAD3578內(nèi)部模擬輸入端電壓轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)基爾霍夫電流定律，信號(hào)Ain經(jīng)過圖 8所示的電路后，輸出電壓Vo與Ain的關(guān)系如公式6所示，當(dāng)Ain范圍為-10～+10 V時(shí)，Vo輸出范圍為0～4 V。由于工藝問題，圖 8中的電阻存在誤差，使Vo和Ain的關(guān)系并不嚴(yán)格成公式6所示的比例關(guān)系，而且各通道之間的一致性也不好，使得采集結(jié)果存在增益誤差和偏置誤差，造成了采集誤差偏大，超出了指標(biāo)要求。

(6)

由于阻性元件為線性元件，ADC的輸入輸出之間的關(guān)系為線性關(guān)系，因此，通過采集多個(gè)已知電流值的數(shù)據(jù)，利用最小二乘和一元線性回歸方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合出一條最佳直線[4]，如公式(7)所示。

(7)

其中:is為采樣獲得的電流值，ii為輸入的實(shí)際電流值。a、b的最佳估計(jì)值由公式(8)[5]得出。

(8)

(9)

由于不同的芯片之間，同一芯片的不同通道之間，一致性不好，造成每個(gè)通道的擬合參數(shù)都不一樣。因此，不能采用給某個(gè)通道輸入不同的固定電流值，通過對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行擬合，對(duì)其它通道進(jìn)行校正的在線校正方法。只能在產(chǎn)品出廠調(diào)試時(shí)對(duì)ADC的各個(gè)采集通道分別進(jìn)行軟件修正，將擬合的兩個(gè)參數(shù)存入電路中的鐵電存儲(chǔ)器或者其它非易失性存儲(chǔ)器中。電路每次上電后，從存儲(chǔ)器中讀取參數(shù)，并加載到相應(yīng)的程序中，即可實(shí)現(xiàn)高精度的模擬信號(hào)采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖 9所示為利用最小二乘估計(jì)進(jìn)行軟件校正前后，輸入電流值分別為4mA、12mA、20mA時(shí)，1 000次采樣數(shù)據(jù)的分布對(duì)比圖，圖中同時(shí)標(biāo)示出了采集數(shù)據(jù)的平均值，可以看出，經(jīng)過軟件校正后，采樣數(shù)據(jù)的平均誤差大大減小。

圖9 校正前后，1 000次采樣數(shù)據(jù)的分布直方圖對(duì)比

圖10所示為按照公式(9)，不同的通道在不同的輸入電流下，校正前后的最大采集誤差對(duì)比，可以看出，經(jīng)過軟件修正，輸入信號(hào)在4～20mA的范圍內(nèi)時(shí)，采集精度大大提高，最大采樣誤差由0.8%提高到0.12%左右。

圖10 校正前后，最大采集誤差隨輸入電流變化曲線對(duì)比

4 結(jié)論

本文以國(guó)產(chǎn)的處理器和ADC芯片為核心，設(shè)計(jì)了一種模擬信號(hào)采集模塊，并采用遞推平均濾波方法和最小二乘估計(jì)方法，降低隨機(jī)誤差、固有偏置和增益誤差，提高模擬信號(hào)的采集精度，使采樣精度從校正前的0.8%提高到了0.12‰。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)采集模塊采樣精度高，達(dá)到了同類型進(jìn)口芯片的精度水平。

本文中的模擬信號(hào)采集模塊全部采用國(guó)產(chǎn)化元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%，并且元器件的質(zhì)量等級(jí)均為普軍級(jí)及以上，可靠性高，在有自主可控要求的裝備中有良好的應(yīng)用前景。

[1] 韓繼國(guó), 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器走向國(guó)產(chǎn)化還有多遠(yuǎn)[J].集成電路應(yīng)用, 2014(4).

[2] 中電24所.SAD3578數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].2009.

[3]TI.TLC3578數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z]. 2003.

[4] 何 平, 王繼坤, 岳長(zhǎng)進(jìn).一種提高DSP的ADC精度的方法[J].科學(xué)計(jì)算與信息處理,

[5] 何書元.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

A Method for Improving Sample Accuracy of Domestic ADC Module

Zhou Yongming1, Xu Jinliang1, Wang Shuwei2, Wang Zhenzhen1, Zhang Hongbin1

(1.Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076,China;2.Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076,China)

To solve the problem of equipment’ independence, a completely domestic multi-channel analog signal acquisition circuit based on domestic CPU and ADC was designed. Because of the low precision of the current domestic analog chip, especially the analog-to-digital converter chip, the precision of the analog signal acquisition module was low, making the practicability poor. In order to improve the sample precision, the recursive average filtering method was used to suppress the periodic interference and reduce the random error. Secondly, a linear regression was performed on the pre-measured values, and the sample values were estimated by the least squares method to reduce the inherent offset error and gain error. It could be concluded from the experiment results that the acquisition circuit could acquire multi-channel analog signal simultaneously, and had high acquisition precision. The biggest sample error was reduced from 0.8% to 0.12%. There was good consistency between the module’s channels. The module was of high reliability and of 100% domestic rate, making it have good prospect for application.

improve; domestic ADC; sample accuracy; recursive average filter; least square estimation

2016-08-30；

2016-09-22。

周永明(1988-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，工程師，主要從事應(yīng)用電子技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0149-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.041

TH86

A