《電子技術(shù)應(yīng)用》
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TMS320F2812芯片ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的分析
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第9期
張 棟
延安大學(xué) 物理電子信息學(xué)院,陜西 延安716000
摘要: TMS320F2812是高集成、高性能指令控制應(yīng)用芯片,但其ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換單元易受干擾,精度差。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),通過(guò)比較硬件濾波、電源濾波、軟件濾波、工作時(shí)鐘頻率、ADC轉(zhuǎn)換窗口、外部RAM等外圍設(shè)計(jì)因素,提出了電源、軟硬件濾波綜合方案,以提高ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。
中圖分類號(hào): TN79+.2;TN713
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)09-0068-03
Analysis of ADC precision on TMS320F2812 chip
ZHANG Dong
Collage of Physics and Electronic Information, Yan′an University,Yan′an 716000,China
Abstract: TMS320F2812 devices are highly integrated, high-performance chips for demanding control applications, but ADC on chips is prone to interfered by other units. In this paper, hardware、power、software filters and clock frequency、ADC window、outside RAM on chips have been compared by practical test. A integrated scheme of hardware、power、software filters is proposed to improve the ADC result precision.
Key words : ADC;hardware filter;software filter;power filter

    TMS320F2812是高精度的DSP,其運(yùn)算速度快,工作時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz,指令周期可達(dá)6.67 ns以內(nèi),低功耗(核心電壓1.8 V,I/O口電壓3.3 V)。采用哈佛總線結(jié)構(gòu),具有強(qiáng)大的操作能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理能力以及統(tǒng)一的寄存器編程模式。并且在片上集成了Flash存儲(chǔ)器,可實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。外部擴(kuò)展模塊(PIE)可支持96個(gè)外部中斷,45個(gè)可用。兩個(gè)增強(qiáng)的事件管理器模塊(EVA、EVB),提供了一整套用于運(yùn)動(dòng)控制和電機(jī)控制的功能和特性。每個(gè)事件管理模塊包括通用定時(shí)器(GP)、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。外圍設(shè)備包括3個(gè)32 bit的CPU定時(shí)器,16通道12 bit ADC(單個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ns,單路轉(zhuǎn)換時(shí)間為60 ns),它不僅具有串行外圍接口(SPI)和兩個(gè)串行通信接口(SCI),還有改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)(eCAN)、多通道緩沖串行接口(McBSP)和串行外圍接口模式[1]。
    28X核提供了高達(dá)400 MIPS的計(jì)算帶寬,它能夠滿足大多數(shù)經(jīng)典實(shí)時(shí)控制算法,在工業(yè)自動(dòng)化、光傳輸網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制等領(lǐng)域擁有應(yīng)用前景。但是,在獲得其較高工作時(shí)鐘頻率150 MHz、低功耗的I/O口3.3 V電壓的同時(shí),對(duì)其在電磁兼容和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換單元等實(shí)際應(yīng)用提出了更高的要求。特別是ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,受到了眾多使用者的詬病,稱其實(shí)測(cè)的精度甚至低于TMS320F2407的10 bit ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。有人懷疑TMS320F2812核內(nèi)數(shù)字地和模擬地連接設(shè)計(jì)有缺陷,但尚未得到TI公司的證實(shí)。TI公司發(fā)布了SPRA989[2]的ADC校準(zhǔn)文檔,僅修正了模數(shù)轉(zhuǎn)換的增益和偏移,與完全實(shí)用的要求尚有一定差距。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),考慮其外圍設(shè)計(jì)因素,提高ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。
1 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度分析以及測(cè)試方法
    影響ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換最終結(jié)果精度的原因很多,諸如芯片內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換的增益和偏移引起的誤差,這些都是生產(chǎn)廠商控制和研究的領(lǐng)域,本文不作討論。本文只考慮用戶可以修改和控制的范疇,如修改外圍硬件設(shè)計(jì)減少輸入誤差、調(diào)節(jié)芯片參數(shù)減少輸入和轉(zhuǎn)換誤差、軟件濾波減少輸出誤差。圍繞這3個(gè)環(huán)節(jié)可細(xì)化分解為:硬件RC濾波輸入信號(hào)的影響、供電電源濾波的影響、芯片工作時(shí)鐘頻率的影響、芯片的ADC轉(zhuǎn)換窗口大小的影響、使用外部RAM的影響、輸出信號(hào)軟件濾波的影響以及上述方法的組合等[3,4]。
    使用DH1718D-2雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供測(cè)試的輸入電壓信號(hào),通過(guò)TDS2014數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量輸入電壓信號(hào),用含TMS320F2812的最小系統(tǒng)板IMEZ2812V3.4板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,最后通過(guò)SEED-XDSPP仿真器,在計(jì)算機(jī)仿真軟件上監(jiān)測(cè)并記錄輸出電壓信號(hào)。
    將上述設(shè)備按以下步驟進(jìn)行連接測(cè)試:
    (1)將計(jì)算機(jī)和SEED-XDSPP仿真器通過(guò)并口連接。
    (2)將SEED-XDSPP仿真器和IMEZ2812V3.4板通過(guò)JTAG口連接。
    (3)將DH1718D-2雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源電壓調(diào)至0~3 V,并連接至IMEZ2812V3.4板的JP4口的R_ADCINA6腳和DSP_VSSA(ADCLO)腳。
    (4)用TDS2014數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)試輸入電壓信號(hào),并用計(jì)算機(jī)仿真軟件觀測(cè)仿真測(cè)試結(jié)果曲線。
    (5)分別增加輸入信號(hào)硬件濾波、電源濾波和軟件信號(hào)濾波及改變相關(guān)ADC寄存器值,并重復(fù)以上步驟測(cè)試。
    先使用恒定電壓輸入信號(hào)比較不同設(shè)定方案的效果,然后對(duì)選定方案進(jìn)行全量程校核。
2 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度測(cè)試過(guò)程及狀態(tài)描述
    取基準(zhǔn)狀態(tài)為:測(cè)試直連輸入信號(hào),外部RAM,PLL=0x0A,HSPCLK=1,ADCCLKPS=2,CPS=1,ACQPS=0。其余狀態(tài)未加說(shuō)明的均為基準(zhǔn)狀態(tài)+變化狀態(tài)。分別進(jìn)行ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換精度測(cè)試。
2.1 恒定電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試比較
    圖1恒定電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試比較的12幅圖對(duì)應(yīng)測(cè)試狀態(tài)及結(jié)果如表1。

2.2 全量程電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換校驗(yàn)
    通過(guò)以上測(cè)試恒定電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試比較,綜合考慮轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間,采用以下方案:硬件濾波輸入信號(hào),軟件信號(hào)濾波10x10,電源濾波100 u,內(nèi)部RAM,PLL=0x0A,HSPCLK=1,ADCCLKPS=2,CPS=1,ACQPS=0。在上述狀態(tài),ADC全量程轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果如表2。

    通過(guò)圖2可以看出,上述方案不僅在恒定電壓2 V時(shí)可以提高ADC轉(zhuǎn)換精度,在TMS320F2812的ADC全量程范圍內(nèi),均可以獲得較好的轉(zhuǎn)換精度。

    通過(guò)以上ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:
    (1)在外部RAM中運(yùn)行程序ADC轉(zhuǎn)換誤差較大。
    (2)降低芯片主頻可以提高ADC轉(zhuǎn)換精度。
    (3)增大采樣窗口可以提高ADC轉(zhuǎn)換精度,但轉(zhuǎn)換時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。
    (4)電源濾波可以提高ADC轉(zhuǎn)換精度。
    (5)輸入信號(hào)硬件RC濾波可以大幅度提高ADC轉(zhuǎn)換精度。
    (6)軟件濾波可以大幅度提高ADC轉(zhuǎn)換精度,但轉(zhuǎn)換時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。
    綜合考慮上述結(jié)論,可以采用2.2中建議的電源濾波+硬件RC濾波+軟件濾波方案來(lái)解決TMS320F2812的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量精度差的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)
[1] Texas Instruments Incorporated,TMS320F2810,TMS320F-2811,TMS320F2812 Digital Signal Processors[R],SPRS174K,2004.6.
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[4] 王幸之,王雷,翟成,等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

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