TMS320F2812芯片ADC模数转换精度的分析

    TMS320F2812是高精度的DSP，其运算速度快，工作时钟频率达150 MHz，指令周期可达6.67 ns以内，低功耗(核心电压1.8 V，I/O口电压3.3 V)。采用哈佛总线结构，具有强大的操作能力、迅速的中断响应和处理能力以及统一的寄存器编程模式。并且在片上集成了Flash存储器，可实现外部存储器的扩展。外部扩展模块(PIE)可支持96个外部中断，45个可用。两个增强的事件管理器模块(EVA、EVB)，提供了一整套用于运动控制和电机控制的功能和特性。每个事件管理模块包括通用定时器(GP)、比较单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路。外围设备包括3个32 bit的CPU定时器，16通道12 bit ADC(单个转换时间为200 ns，单路转换时间为60 ns)，它不仅具有串行外围接口(SPI)和两个串行通信接口(SCI)，还有改进的局域网络(eCAN)、多通道缓冲串行接口(McBSP)和串行外围接口模式[1]。

    28X核提供了高达400 MIPS的计算带宽，它能够满足大多数经典实时控制算法，在工业自动化、光传输网络和自动控制等领域拥有应用前景。但是，在获得其较高工作时钟频率150 MHz、低功耗的I/O口3.3 V电压的同时，对其在电磁兼容和ADC模数转换单元等实际应用提出了更高的要求。特别是ADC模数转换单元，受到了众多使用者的诟病，称其实测的精度甚至低于TMS320F2407的10 bit ADC模数转换精度。有人怀疑TMS320F2812核内数字地和模拟地连接设计有缺陷，但尚未得到TI公司的证实。TI公司发布了SPRA989[2]的ADC校准文档，仅修正了模数转换的增益和偏移，与完全实用的要求尚有一定差距。本文从实际应用的角度出发，考虑其外围设计因素，提高ADC模数转换精度。

1 ADC模数转换精度分析以及测试方法

    影响ADC模数转换最终结果精度的原因很多，诸如芯片内部模数转换、模数转换的增益和偏移引起的误差，这些都是生产厂商控制和研究的领域，本文不作讨论。本文只考虑用户可以修改和控制的范畴，如修改外围硬件设计减少输入误差、调节芯片参数减少输入和转换误差、软件滤波减少输出误差。围绕这3个环节可细化分解为：硬件RC滤波输入信号的影响、供电电源滤波的影响、芯片工作时钟频率的影响、芯片的ADC转换窗口大小的影响、使用外部RAM的影响、输出信号软件滤波的影响以及上述方法的组合等[3，4]。

    使用DH1718D－2双路跟踪稳压稳流电源提供测试的输入电压信号，通过TDS2014数字存储示波器测量输入电压信号，用含TMS320F2812的最小系统板IMEZ2812V3.4板进行模数转换，最后通过SEED－XDSPP仿真器，在计算机仿真软件上监测并记录输出电压信号。

    将上述设备按以下步骤进行连接测试：

    (1)将计算机和SEED－XDSPP仿真器通过并口连接。
    (2)将SEED－XDSPP仿真器和IMEZ2812V3.4板通过JTAG口连接。
    (3)将DH1718D－2双路跟踪稳压稳流电源电压调至0～3 V，并连接至IMEZ2812V3.4板的JP4口的R_ADCINA6脚和DSP_VSSA(ADCLO)脚。
    (4)用TDS2014数字存储示波器测试输入电压信号，并用计算机仿真软件观测仿真测试结果曲线。
    (5)分别增加输入信号硬件滤波、电源滤波和软件信号滤波及改变相关ADC寄存器值，并重复以上步骤测试。

    先使用恒定电压输入信号比较不同设定方案的效果，然后对选定方案进行全量程校核。

2 ADC模数转换精度测试过程及状态描述

    取基准状态为：测试直连输入信号，外部RAM，PLL=0x0A，HSPCLK=1，ADCCLKPS=2，CPS=1，ACQPS=0。其余状态未加说明的均为基准状态＋变化状态。分别进行ADC模数转换精度测试。

2.1 恒定电压模数转换测试比较

    图1恒定电压模数转换测试比较的12幅图对应测试状态及结果如表1。

2.2 全量程电压模数转换校验

    通过以上测试恒定电压模数转换测试比较，综合考虑转换精度和转换时间，采用以下方案：硬件滤波输入信号，软件信号滤波10x10，电源滤波100 u，内部RAM，PLL=0x0A，HSPCLK=1，ADCCLKPS=2，CPS=1，ACQPS=0。在上述状态，ADC全量程转换测试结果如表2。

    通过图2可以看出，上述方案不仅在恒定电压2 V时可以提高ADC转换精度，在TMS320F2812的ADC全量程范围内，均可以获得较好的转换精度。

    通过以上ADC模数转换测试结果，可以得出以下结论：

    (1)在外部RAM中运行程序ADC转换误差较大。
    (2)降低芯片主频可以提高ADC转换精度。
    (3)增大采样窗口可以提高ADC转换精度，但转换时间相应延长。
    (4)电源滤波可以提高ADC转换精度。
    (5)输入信号硬件RC滤波可以大幅度提高ADC转换精度。
    (6)软件滤波可以大幅度提高ADC转换精度，但转换时间相应延长。

    综合考虑上述结论，可以采用2.2中建议的电源滤波＋硬件RC滤波＋软件滤波方案来解决TMS320F2812的ADC模数转换测量精度差的问题。