TMS320F2812芯片ADC模数转换的解析

　　TMS320F2812是高的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（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。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。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。

　　1 ADC模数转换分析以及测试方法

　　模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。 　　通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

　　模数转换器重要的参数是转换的，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。

　　A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。

　　一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。

　　影响ADC模数转换终结果的原因很多，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的系统板IMEZ2812V3.4板进行模数转换，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。

　　间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量，再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔（V/T）型和电压-频率（V/F）型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和。用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。

　　2 ADC模数转换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，在TMS320F2812的ADC全量程范围内，均可以获得较好的转换。

　　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。

　　（3）增大采样窗口可以提高ADC转换，但转换时间相应延长。

　　（4）电源滤波可以提高ADC转换。

　　（5）输入信号硬件RC滤波可以大幅度提高ADC转换。

　　（6）软件滤波可以大幅度提高ADC转换，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模数转换测量差的问题。