提高精度,ADC模塊誤差的定義與校正方法分享
發(fā)布時間:2016-08-09 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】本文提出一種用于提高TMS320F2812ADC精度的方法,使得ADC精度得到有效提高。ADC模塊是一個12位、具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,用于控制回路中的數(shù)據(jù)采集。
一.ADC模塊誤差的定義及影響分析
1.誤差定義
常用的A/D轉(zhuǎn)換器主要存在:失調(diào)誤差、增益誤差和線性誤差。這里主要討論失調(diào)誤差和增益誤差。理想情況下,ADC模塊轉(zhuǎn)換方程為y=x×mi,式中x=輸入計數(shù)值 =輸入電壓×4095/3;y=輸出計數(shù)值。在實際中,A/D轉(zhuǎn)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(diào)誤差的ADC模塊的轉(zhuǎn)換方程為y=x×ma±b,式中ma為實際增益,b為失調(diào)誤差。通過對F2812的ADC信號采集進(jìn)行多次測量后,發(fā)現(xiàn)ADC增益誤差一般在5%以內(nèi),即0.95。
2.影響分析
在計算機(jī)測控系統(tǒng)中,對象數(shù)據(jù)的采集一般包含兩種基本物理量:模擬量和數(shù)字量。對于數(shù)字量計算機(jī)可以直接讀取,而對于模擬量只有通過轉(zhuǎn)換成數(shù)字量才能被計算機(jī)所接受,因此要實現(xiàn)對模擬量準(zhǔn)確的采集及處理,模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度和準(zhǔn)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(tǒng)的誤操作。下面分析兩種誤差對線性電壓輸入及A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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。
下面以y=x×1.05+80為例介紹各項值的計算。當(dāng)輸入為0時,輸出為80,由于ADC的最大輸出值為4095,則由式y(tǒng)=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(shù)N=ln4015/ln2=11.971,mV/計數(shù)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(shù),其有效位數(shù)減少為11.865位,mV/計數(shù)位從0.7326增加為0.7345,這將會使轉(zhuǎn)換結(jié)果減少0.2%。
在實際應(yīng)用中,所采集的信號經(jīng)常為雙極型信號,因此信號在送至ADC之前需要添加轉(zhuǎn)換電路,將雙極型信號轉(zhuǎn)化為單極型信號。典型的轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。對于ADC模塊,考慮到增益誤差和失調(diào)誤差對輸入范圍的影響,轉(zhuǎn)換電路需要調(diào)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(jīng)改變。
對于雙極性輸入,其0 V輸入的增益誤差對應(yīng)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(diào)誤差被增大了。例如,如果ADC的增益誤差為5%,失調(diào)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(zhuǎn)換值為ye=1.4315×4095/3=1954,而由ya=1954×1.05+80計算得實際轉(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集,就必須對ADC進(jìn)行校正,提高其轉(zhuǎn)換精度。
二.ADC校正
1.校正方法
通過以上分析可以看出,F(xiàn)2812的ADC轉(zhuǎn)換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調(diào)誤差,因此要提高轉(zhuǎn)換精度就必須對兩種誤差進(jìn)行補(bǔ)償。對于ADC模塊采取了如下方法對其進(jìn)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(yīng)的結(jié)果寄存器獲取轉(zhuǎn)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(diào),然后利用這兩個值對其他通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償,從而提高了ADC模塊轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)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(diào)。具體計算過程如下:
① 獲取已知輸入?yún)⒖茧妷盒盘柕霓D(zhuǎn)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(diào)誤差:
實際增益ma=(yH-yL)/(xH-xL);
失調(diào)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(diào)CalOffset=b/ma=yL/ma-xL。
④ 將所求的校正增益及校正失調(diào)應(yīng)用于其他測量通道,對ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行校正。
上述即為實現(xiàn)ADC校正的全過程,通過使用這種方法,ADC的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊,由于其通道間的增益及失調(diào)誤差均在0.2%以內(nèi),所以可以采用這種方法對其進(jìn)行校正。
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