提高精度,ADC模塊誤差的定義與校正方法分享
發布時間:2016-08-09 責任編輯:susan
【導讀】本文提出一種用於提高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、具有流水線結構的模數轉換器,用於控製回路中的數據采集。
一.ADC模塊誤差的定義及影響分析
1.誤差定義
常用的A/D轉換器主要存在:失調誤差、增益誤差和線性誤差。這裏主要討論失調誤差和增益誤差。理想情況下,ADC模塊轉換方程為y=x×mi,式中x=輸入計數值 =輸入電壓×4095/3;y=輸出計數值。在實際中,A/D轉換模塊的各種誤差是不可避免的,這裏定義具有增益誤差和失調誤差的ADC模塊的轉換方程為y=x×ma±b,式中ma為實際增益,b為失調誤差。通過對F2812的ADC信號采集進行多次測量後,發現ADC增益誤差一般在5%以內,即0.95。

2.影響分析
在計算機測控係統中,對象數據的采集一般包含兩種基本物理量:模mo擬ni量liang和he數shu字zi量liang。對dui於yu數shu字zi量liang計ji算suan機ji可ke以yi直zhi接jie讀du取qu,而er對dui於yu模mo擬ni量liang隻zhi有you通tong過guo轉zhuan換huan成cheng數shu字zi量liang才cai能neng被bei計ji算suan機ji所suo接jie受shou,因yin此ci要yao實shi現xian對dui模mo擬ni量liang準zhun確que的de采cai集ji及ji處chu理li,模mo數shu轉zhuan換huan的de精jing度du和he準zhun確que率lv必bi須xu滿man足zu一yi定ding的de要yao求qiu。由you於yuF2812的ADC具有一定增益誤差的偏移誤差,所以很容易造成係統的誤操作。下麵分析兩種誤差對線性電壓輸入及A/D轉換結果的影響。
F2812用戶手冊提供的ADC模塊輸入模擬電壓為0~3 V,而實際使用中由於存在增益誤差和偏移誤差,其線性輸入被減小。
下麵以y=x×1.05+80為例介紹各項值的計算。當輸入為0時,輸出為80,由於ADC的最大輸出值為4095,則由式y=x×1.05+80求得輸入最大電壓值為2.8013。因此,交流輸入電壓範圍為1.4007±1.4007,此時有效位數N=ln4015/ln2=11.971,mV/計數位=2.8013/4015=0?6977,其餘項計算同上。表1中的最後一行顯示了ADC操作的安全參數,其有效位數減少為11.865位,mV/計數位從0.7326增加為0.7345,這將會使轉換結果減少0.2%。
在實際應用中,所采集的信號經常為雙極型信號,因此信號在送至ADC之前需要添加轉換電路,將雙極型信號轉化為單極型信號。典型的轉換電路如圖2所示。對於ADC模塊,考慮到增益誤差和失調誤差對輸入範圍的影響,轉換電路需要調整為如圖3所示的電路。在圖3中,輸入增益誤差的參考範圍已經改變。

對於雙極性輸入,其0 V輸入的增益誤差對應單極性輸入的1.4315V的增益誤差,因此,原有ADC的增益誤差和失調誤差被增大了。例如,如果ADC的增益誤差為5%,失調誤差為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,其理想的轉換值為ye=1.4315×4095/3=1954,而由ya=1954×1.05+80計算得實際轉換值,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進行數據采集,就必須對ADC進行校正,提高其轉換精度。
二.ADC校正
1.校正方法
通過以上分析可以看出,F2812的ADC轉換精度較差的主要原因是存在增益誤差和失調誤差,因此要提高轉換精度就必須對兩種誤差進行補償。對於ADC模塊采取了如下方法對其進行校正。
選用ADC的任意兩個通道作為參考輸入通道,並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),通過讀取相應的結果寄存器獲取轉換值,利用兩組輸入輸出值求得ADC模塊的校正增益和校正失調,然後利用這兩個值對其他通道的轉換數據進行補償,從而提高了ADC模塊轉換的準確度。圖1示出了如何利用方程獲取ADC的校正增益和校正失調。具體計算過程如下:
① 獲取已知輸入參考電壓信號的轉換值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誤差:
實際增益ma=(yH-yL)/(xH-xL);
失調誤差 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CalOffset=b/ma=yL/ma-xL。
④ 將所求的校正增益及校正失調應用於其他測量通道,對ADC轉換結果進行校正。
上述即為實現ADC校正的全過程,通過使用這種方法,ADC的(de)轉(zhuan)換(huan)精(jing)度(du)有(you)很(hen)大(da)提(ti)高(gao)。由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)某(mou)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)誤(wu)差(cha)去(qu)修(xiu)正(zheng)其(qi)他(ta)通(tong)道(dao)的(de)誤(wu)差(cha),因(yin)此(ci)要(yao)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa),必(bi)須(xu)保(bao)證(zheng)通(tong)道(dao)間(jian)具(ju)有(you)較(jiao)小(xiao)的(de)通(tong)道(dao)誤(wu)差(cha)。對(dui)F2812ADC轉換模塊,由於其通道間的增益及失調誤差均在0.2%以內,所以可以采用這種方法對其進行校正。
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