基于DSP的隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計

周 虹，陳志雄，徐海榮

（上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201620）

基于DSP的隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計

周 虹，陳志雄，徐海榮

（上海工程技術(shù)大學(xué) 上海 201620）

針對強干擾場合的信號采樣問題，利用DSP芯片的高性能時鐘及捕獲功能，實現(xiàn)一種新的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。將被測模擬信號變換為頻率與輸入量大小成正比的脈沖信號，經(jīng)過光電隔離電路改善信號傳輸特性后，送至DSP處理器實現(xiàn)高精度的頻率測量，最終由軟件完成頻率到模擬信號數(shù)值大小的換算，從而實現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換與采樣。實驗結(jié)果表明，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換精度可達12bit，模擬輸入信號與模數(shù)采集系統(tǒng)能有效隔離、并具有硬件電路簡單、抗干擾能力強的特點。

DSP；模數(shù)轉(zhuǎn)換；強干擾；捕獲；信號隔離；轉(zhuǎn)換精度

在自動化控制領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)從傳感器和待測設(shè)備采集連續(xù)變化的模擬量并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，是信號傳輸處理環(huán)節(jié)不可缺少的部分[1]。

但實際工業(yè)檢測及生產(chǎn)控制場合中，外部模擬量往往存在噪聲、高壓、強電流等干擾。尤其是變頻器等機電設(shè)備的廣泛使用，對外部產(chǎn)生很嚴(yán)重的電磁干擾[2-3]，使AD信號采樣條件更加惡劣，而傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器很難在中央處理單元和檢測儀表、控制設(shè)備之間進行電氣隔離[4]，常規(guī)的抗干擾措施如降低變頻器載波頻率，輸入濾波等往往作用也不大。對于這種強干擾工業(yè)場合的AD采樣過程，解決抗干擾、精確測量低頻信號是必須解決的一個技術(shù)問題。

文中基于DSP處理器設(shè)計隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器不僅可以實現(xiàn)模數(shù)系統(tǒng)的有效隔離，而且能夠避免信號在傳輸時受到各種干擾，從而大大提高系統(tǒng)的采樣精度。

1 隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理方案

隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用DSP的數(shù)值控制方式，DSP選擇TI公司推出的150 MHz高精度定點數(shù)字信號控制器TMS320F2812芯片，其高效的32位CPU內(nèi)核、支持浮點運算，片內(nèi)硬件資源豐富[5]，這種基于DSP的控制方式不需要復(fù)雜的模擬電路，能夠用軟件實現(xiàn)復(fù)雜的算法，具有軟硬件模塊化、測量功能可重組的特點，為提高系統(tǒng)的可靠性和測量精度奠定了基礎(chǔ)[6]。

雖然TMS320F2812內(nèi)部已含有ADC模塊，但集成于F2812的ADC模塊具有一定增益誤差和偏移誤差，將該ADC用于強干擾控制場合，轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換精度都會受到限制[7-8]。為了在工業(yè)控制的數(shù)據(jù)采樣中克服強干擾，文中基于VFC與DSP捕獲功能設(shè)計隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具體方案主要包含3個部分：VFC（電壓-頻率轉(zhuǎn)換）與隔離模塊，TMS320F28 12DSP測頻模塊，F(xiàn)/V軟件轉(zhuǎn)換模塊。

圖1 隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理示意框圖

2 VFC與隔離模塊

VFC實際上是一種模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。選用美國國家半導(dǎo)體公司（NS）生產(chǎn)的精密單片集成電路LM331作為電壓-頻率 （V-F）轉(zhuǎn)換器。LM331把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為一串頻率正比于模擬信號幅值的矩形波。

LM331輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇不同電壓源和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng)TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。LM331外接電路較為簡單，只需接入很少外部元件就可方便構(gòu)成V-F等變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。根據(jù)檢測對象要求設(shè)計的電路如圖2，LM331各管腳功能定義如下[9]：

圖2 隔離型AD轉(zhuǎn)換電路

管腳1：CUR-O，電流輸出端。它是內(nèi)部一個精密電流源的輸出端，在管腳3輸出邏輯低電平時，該管腳流出的電流對外部電容C10充電。

管腳2：REF-C，參考電流。該腳由內(nèi)部的一個電流泵提供50～500 uA的電流，該管腳外接一個電阻Rv1（4～150 KΩ可調(diào)）到地。該腳為增益調(diào)整，改變Rv1的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。

管腳3：FO，脈沖頻率輸出端。輸入電壓經(jīng)過VF轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的矩形波由此輸出，其內(nèi)部為晶體管集電極開路輸出，因此外部必須接有上拉電阻到正電源。該管腳輸出的脈沖寬度由5腳外置的R8、C11決定。

管腳4：GND，接地端。

管腳5：R/C，外接定時電阻R8和定時電容C11。它們是內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)定時電路的定時元件。

管腳6：THR，閾值電壓。該腳是內(nèi)部輸入比較器的反相輸輸入端，該管腳電壓與7腳的輸入電壓進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果啟動內(nèi)部的單穩(wěn)態(tài)定時電路。

管腳7：CMP-I，被測電壓輸入端。內(nèi)部輸入比較器的同相輸入端。

管腳8：Vcc，電源正端。

圖2電路中R6、C9為輸入低通濾波器，用于濾除雜波干擾。如果從7腳輸入的電壓波動較大，也可加大電容C9的容量。

文中為適應(yīng)工業(yè)信號電流型傳輸（輸入電流4～20 mA），在模擬輸入端AN_IN1下拉一個500 Ω電阻，使輸入電流在該電阻上能產(chǎn)生2～10 V的電壓，作為LM331的電壓輸入信號。

在V/F方式工作后，輸入電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的矩形波由管腳3 FO接至光耦OPT1。光電耦合可實現(xiàn)現(xiàn)場信號與測量電路之間、相鄰輸入通道之間的輸入輸出隔離，克服高共模電平[10]。光電隔離電路增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，并改善了信號的傳輸特性。

3 DSP測頻模塊

V/F轉(zhuǎn)換并隔離好的信號經(jīng)TLP521的F_IN1管腳送入TMS320F2812捕獲引腳。TMS320F2812片上集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力。測頻模塊有效利用F2812的片內(nèi)外設(shè)事件管理器（EV）的捕獲功能，在被測信號的有效電平跳變沿捕獲計數(shù)，電路實現(xiàn)多靠軟件設(shè)置，運算簡單，實時性好。

3.1 事件管理器及其捕獲單元

TMS320F2812片內(nèi)外設(shè)事件管理器含有兩個模塊EVA和EVB，每個模塊都包括2個通用目的（GP）定時器、3個全比較/PWM單元、3個捕捉單元和1個正交編碼脈沖電路[11]。

對于TMS320F2812事件管理器6個捕獲單元CAPx（x=1，2，…6），每一個捕獲單元都有一個相應(yīng)的捕獲輸入引腳，均需選擇GP定時器2或1作為其時間基準(zhǔn)。當(dāng)捕獲輸入引腳CAPx上檢測到一個跳變（跳變的方式可以由用戶指定為上升沿、下降沿或兩個邊沿）時，GP定時器的值被捕獲并鎖存在相應(yīng)的專用2級深度FIFO堆棧（頂層堆棧CAPFIFOx及底層CAPxFBOT堆棧）中。一次測頻過程包括兩次捕捉，第一次捕捉到引腳跳變時，捕獲單元將記錄所選用GP定時器的計數(shù)值并把該值寫入FIFO堆棧的頂層寄存器。如果在第一次捕捉的值讀取之前發(fā)生第二次捕捉，一個新的捕捉值會被送入底層寄存器。捕獲單元捕捉到數(shù)值后，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位置1，如果中斷沒有被屏蔽，就會產(chǎn)生外圍設(shè)備中斷請求。中斷響應(yīng)后，通過中斷服務(wù)程序從FIFO堆棧中讀出兩次存入的先后捕獲值。該對捕捉值正好是一個被測頻率周期的兩次計數(shù)。由捕捉值計算出一個周波內(nèi)的標(biāo)頻脈沖數(shù)，進而得出被測周波的頻率。頻率計算公式為：

式中cap1，cap2分別表示CAPxFBOT及CAPFIFOx的堆棧值。

3.2 測頻軟件設(shè)計

根據(jù)事件管理器中捕獲單元的原理，設(shè)計軟件捕獲脈沖信號并測頻。為平滑脈沖信號的抖動，濾除其中高頻干擾，從而減小頻率測試過程中隨機誤差，利用用F2812內(nèi)的CPU定時器CPU_Timer0產(chǎn)生500 ms的時間段，取500 ms時間段內(nèi)多次采樣的平均值為測試結(jié)果。軟件流程如圖3所示。系統(tǒng)在上電或復(fù)位后，軟件首先進行系統(tǒng)初始化工作，包括系統(tǒng)時鐘配置、中斷配置、引腳配置及看門狗配置，同時正確配置外設(shè)，初始化EV，設(shè)定TMS320F2812的CAP1為捕獲單元，并選定GP定時器T1為CAP1的時間基準(zhǔn)。外設(shè)配置完成后啟動CPU_Timer0，GP定時器T1與CAP1，使能 T1上溢中斷，設(shè)置T1的比較值為1，等待中斷發(fā)生T1CINT置位，進入中斷服務(wù)程序讀取捕獲值，計算測量頻率。

圖3 測頻程序流程框圖

4 F/V軟件轉(zhuǎn)換模塊

測頻模塊使用外部中斷法捕獲并測量得到脈沖信號的頻率，根據(jù)LM331工作原理分析模擬輸入信號與輸出頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

LM331內(nèi)部電路包括輸入比較電路、定時比較電路、R-S觸發(fā)電路、復(fù)零晶體管、輸出驅(qū)動管等部分[12-13]。

LM331開始進入一個執(zhí)行周期時，首先由內(nèi)部比較電路將管腳7輸入電平Uin和管腳6電平UT相比較，如果Uin＞UT，比較器的輸出將觸發(fā)定時器延時T=1.1*R8*C11，定時器的輸出導(dǎo)通復(fù)零晶體管，同時電流源對C10充電。當(dāng)電容C10兩端充電電壓大于Vcc的2/3時，充電電流斷開，定時器自復(fù)位，C10通過R7放電直到Uin＞UT，進入下一個執(zhí)行周期，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。由于基準(zhǔn)電壓維持為1.9 V，恒流電流i=1.9/（R9+RV1），代入C10的平均充電電流IAVE=i*1.1*R8*C11*fo，即：

當(dāng)C10充放電平均電流平衡時，IAVE＝Vin／R7，得：

由上式容易看出，輸出脈沖的頻率與輸入電壓值呈線性關(guān)系，可以通過測量脈沖的頻率來得知輸入電壓的大小。即：

5 轉(zhuǎn)換性能分析與驗證

基于 VFC和 DSP的隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)LM331產(chǎn)生并傳送脈沖信號至DSP，電路結(jié)構(gòu)簡單。與模擬信號由幅值代表其大小不同，脈沖信號大小由脈沖寬度表征，并且始終只有高電平和低電平兩種數(shù)字形式，對加性噪聲干擾不明顯，因此脈沖信號在傳輸中的抗干擾能力大大提高。隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)有轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度等[14]，對提出的轉(zhuǎn)換器就這些指標(biāo)進行性能分析。

5.1 轉(zhuǎn)換精度分析

模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，會由于過程中多種因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)靜態(tài)精度和量化誤差[15]。 文中提出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要誤差因素來自LM331 V/F轉(zhuǎn)換精度和DSP處理器對捕獲信號處理時產(chǎn)生的誤差。

LM331集成單片采用新的溫度補償能隙基準(zhǔn)電路，在整個工作溫度范圍內(nèi)和低至4.0 V電源電壓下都有極高的精度；同時它的動態(tài)范圍寬，可達100 dB；線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12位；

而DSP處理器對捕獲信號處理時采用中斷方式捕獲脈沖頻率信號，期間可能產(chǎn)生脈沖計數(shù)誤差。DSP捕捉到的GP定時器值TN（除第一周波外）與頻率f成比例關(guān)系，即：

f=k*150*106/TN（其中k為輸入信號分頻系數(shù)）。

假如對FNHz的脈沖信號進行測頻，計數(shù)值為150*106/FN次。而對信號進行K次分頻后，則計數(shù)值將是k*150*106/FN次。定時器由于計數(shù)造成的絕對誤差為FN/（K×150×106）。

即DSP測頻絕對誤差大約在10-6以內(nèi)，采用時間預(yù)定標(biāo)器對信號分頻可以進一步減少測量誤差，提高測量精度。

5.2 響應(yīng)時間分析

文中提出的隔離型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度仍然和LM331 V/F和DSP處理器處理速度相關(guān)。由于LM331存在電容充放電速度，其最高輸出頻率為100 kHz，表明V/F轉(zhuǎn)換時間可以維持在10 μs內(nèi)。DSP中斷轉(zhuǎn)換的時間依賴于微處理器的時鐘頻率，F(xiàn)2812工作時鐘頻率達150 MHz，外部中斷響應(yīng)時間可以達到ns級。綜合整個電路分析，隔離型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度為μs級。

從上述分析還可看出，對于一般模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度與其響應(yīng)時間是一對矛盾的性能參數(shù)，而基于DSP的隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器則避免了這個問題。

5.3 與DSP內(nèi)集成的ADC采樣結(jié)果比較

為驗證隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能，在實驗室環(huán)境用4～20 mA信號發(fā)生器 （型號為MIK-502S，分辨率：1 μA）產(chǎn)生不同的電流信號，分別用隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器和ADC測出電壓再轉(zhuǎn)換成電流值，得到兩種轉(zhuǎn)換結(jié)果及其相對誤差如表1所示。其相對誤差通過實際輸出和輸入信號的差值除以輸入信號得到。

由表1可以看出，本測頻系統(tǒng)的測量精度可達到0.01%。在所取的5組數(shù)據(jù)中，有四組使用隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行 A/D 轉(zhuǎn)換的誤差比使用TMS320F2812ADC進行A/D轉(zhuǎn)換誤差小。

表1 轉(zhuǎn)換結(jié)果比較

6 結(jié) 論

文中提出的隔離型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在某企業(yè)鍋爐精準(zhǔn)控制的參數(shù)測量中獲得了成功應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)采用該隔離模擬轉(zhuǎn)換模塊對蒸汽機壓力及煤粉電子計量等參數(shù)進行實時測量與控制，提高了采樣的實時性，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

本設(shè)計使用了光電隔離技術(shù)處理模擬信號，充分利用F2812 DSP的內(nèi)部資源，即使用事件管理器中的定時器、捕獲單元完成頻率的測量再轉(zhuǎn)換成模擬量；兼顧了測量精度、工作穩(wěn)定性、抗干擾性及成本，達到較高的性價比，可廣泛用于各種控制現(xiàn)場的模擬量采集。

[1]李敏.模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)綜述及專利申請狀況分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（14）:242-243.

[2]辛中華.實驗室通風(fēng)系統(tǒng)變頻裝置EMC解決方案[J].安全與電磁兼容，2016（1）:74-77.

[3]李曉莉.儀表信號受變頻干擾的處理[J].電子測試，2015（21）:45-46.

[4]皮運生.模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路中的常見問題及解決方案[J].微處理機，2008，29（4）:164-166.

[5]蘇奎峰呂強.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6]JING Jianguo，TIAN Jinyan，TIAN Yuhua.Design of Power QualityDetection System Based on TMS320F2812 [J]. Electrical & Energy Management Technology，2015（8）：57-60.

[7]張磊.數(shù)字芯片ADC模塊的常見失效分析 [J].電子測試，2009（3）:83-85.

[8]班允強，梁英，劉朝強.基于TMS320F2812的ADC校正算法設(shè)計與實現(xiàn) [J].微型機與應(yīng)用，2015（17）:16-17.

[9]盛碧琦，應(yīng)忠于，胡云琴.LM331內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及實驗驗證[J].信息技術(shù)，2015（10）:214-216.

[10]劉熹，劉迎春，邵珠楓.光電耦合器選型與應(yīng)用[J].工程機械與維修，2014（1）:128-129.

[11]TMS320F28x Event Manager （EV）Peripheral Reference Guide.Texas Instrument，2002.

[12]劉芳.一種基于LM331集成芯片的濕度計設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014（2）:141-141.

[13]黃偉，莊志紅.一種基于頻率/電流轉(zhuǎn)換的4～20mA電路設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2015，23（22）:86-88.

[14]張喆，姚崇斌.一種測試模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)的測試方法:CN102868402A[P].2013.

[15]李沂乘.采樣計算方法測量交流電壓有效值誤差分析[J].電子測量與儀器學(xué)報，2008，22（z1）:62-65.

Design of isolated analog-digital converter based on DSP

ZHOU Hong，CHEN Zhi-xiong，XU Hai-rong
（Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Aiming at signal sampling under strong interference environment，Ananalogdigital conversion circuit usinghigh precision clock and capture function of DSP is presented.The measured analog signal is converted into pulse signal whose frequency is proportional to the input signal.After the photoelectric isolation circuit to improve the signal transmission characteristics，the pulse signal is sent to DSP processor to achieve high precision frequency measurement.Eventually the analog signal value can be calculated by the software.The experimental results proveits precision can be up to 12 bit A/D transformation precision and the system has some merits of signal sampling，such as convenience for signal isolation，simple transforming circuit and strong anti-interference ability.

DSP；analogdigital conversion；strong interference；capture；signal isolation；precision of transformation

TN79+2

：A

：1674－6236（2017）06-0079-05

2016-05-30稿件編號：201605298

國家自然科學(xué)基金（51465047）；航空科學(xué)基金（2014ZD56009）

周 虹（1973—），女，江西吉安人，博士，高工。研究方向：系統(tǒng)可靠性分析、自動化。