周永明，許進亮，王淑煒，王真真，張洪彬

(1.北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076； 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

一種提高國產ADC模塊采樣精度的方法

周永明1，許進亮1，王淑煒2，王真真1，張洪彬1

(1.北京航天發(fā)射技術研究所，北京 100076； 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

為解決武器裝備自主可控問題，以國產的處理器和多通道模數轉換器(ADC)為核心，設計了一種完全國產化的多通道模擬信號采集模塊;由于目前國產模擬芯片特別是模數轉換器的精度指標較差，造成模擬信號采集模塊精度較低，實用性較差;為提高采樣精度，首先在采樣時采用遞推平均濾波方法，抑制采集信號中的周期性干擾，降低采集的隨機誤差;其次，對預先測量的幾組數值進行一元線性回歸，據此對采樣值進行最小二乘估計，降低采集的固有偏置誤差和增益誤差;試驗結果表明，該多通道模擬信號采集模塊可同時采集多路模擬信號，采樣精度高，最大采集誤差由0.8%降低到0.12%，并且該模塊通道間一致性好，可靠性高，國產化率達到100%，在武器裝備中有良好的應用前景。

提高;國產ADC;采樣精度;遞推平均濾波;最小二乘估計

0 引言

模擬采集模塊作為模擬信號和數字信號之間的橋梁，在電子系統(tǒng)中發(fā)揮非常重要的作用，在國防工業(yè)領域也有非常大需求，比如雷達、電子對抗設備、軍用通信設備等[1]。在某型號信息化發(fā)射平臺中，需要采集系統(tǒng)壓力、流量、位移等多種模擬量，并對采樣精度有較高要求。隨著近些年國內芯片產業(yè)的發(fā)展，利用國產芯片設計模擬采集模塊，實現裝備的自主可控成為可能。

但是，目前國產模數轉換器(ADC)的精度普遍不高，特別是能夠同時完成多路模擬信號采集的ADC，精度指標較差。與進口ADC相比，國產ADC在非線性誤差、信號與噪聲加失真比(SINAD)等指標方面都有較大差距，表 1所示為可相互替代的進口14位ADC TLC3578和國產14位ADC SAD3578性能指標對比。根據公式(1)，利用SINAD估算兩款ADC的有效位數(ENOB)分別為12.2位和9.7位，精度差別較大。

(1)

本文基于國產處理器和ADC，設計了一種完全國產、自主可控的多通道模擬信號采集模塊，并采用遞推平均濾波方法和最小二乘估計方法，大幅提高了模擬信號采集精度，對裝備中類似模塊具有較好的借鑒價值，有良好的應用前景。

1 硬件設計

為了避免模擬多路選擇器的誤差對系統(tǒng)誤差造成影響，同時考慮電路的體積和成本，優(yōu)先選擇包含多個模擬通道的ADC，用單片ADC和對應的模擬調理電路來實現多通道模擬信號采集。模擬信號采集模塊主要由模擬信號調理電路、模數轉換電路、控制電路組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 模擬調理電路

模擬調理電路將4～20 mA電流信號轉換為電壓信號，并將電壓信號的幅值調整到合適的范圍，以最大限度地利用ADC的滿量程范圍，降低采樣誤差。

模擬調理電路原理圖如圖2所示。調理運放選擇749廠的低噪聲高精度運算放大器F07，該運放失調電壓僅為75 uV。由于運放輸入阻抗無窮大，輸入的4～20 mA電流僅流過200歐姆精密電阻，轉換為0.8～4 V電壓輸入到運放同相輸入端。經過運放放大，轉換為1.6～8 V電壓給ADC。模擬調理電路輸出電壓-輸入電流關系為：

(2)

其中:IIN為輸入電流(mA)，VO為模擬調理電路的輸出電壓(V)。

圖2 模擬調理電路

1.2 模數轉換電路

ADC選擇中電24所的14位八通道ADCSAD3578，為目前國產最高分辨率的多通道ADC芯片。SAD3578是一種14位逐次逼近型電容結構ADC，該芯片模擬信號輸入范圍為-10～10V，最高工作時鐘頻率15MHz，最大采樣率200KSPS，積分非線性誤差最大為2LSB。該芯片非常適合數據采集和控制系統(tǒng)、雷達和導航系統(tǒng)[2]。

參考電壓芯片選擇中電24所專為SAD3578配套的參考電壓芯片SW814，該芯片通過管腳編程，可以輸出4V和2.5V參考電壓，并具有噪聲消除端，通過外接電容，可極大地改善電路的噪聲特性。

模數轉換電路如圖 3所示。主要由SAD3578和參考電壓芯片SW814組成。模擬輸入端接入模擬調理電路輸出的六路模擬信號，第7、8路分別接模擬地和8V參考電壓，方便實現在線精度校正?？刂贫伺c控制器通過SPI接口相連，接收控制器的控制指令，完成采集后通過EOC引腳通知控制電路并通過SPI接口上傳采集數據。

圖3 模數轉換電路

1.3 控制電路

控制電路的處理器芯片選擇中電58所的DSP芯片JDSP320F2812，該芯片與TI公司的SMJ320F2812芯片兼容，硬件電路和軟件開發(fā)均與SMJ320F2812相同，降低了開發(fā)門檻。該CPU是高性能的定點數字信號處理器，具有EV、高精度12位ADC、SCI、SPI、McBSP、CAN2.0等多種外設，廣泛應用于各種控制領域。

DSP與SAD3578之間通過SPI接口傳送指令和數據。SAD3578的IO為5V電平信號，而DSP的IO為3.3V電平信號，為保護DSP的IO引腳，在SAD3578和DSP之間用164245芯片設計電平轉換電路。

2 軟件設計

2.1 數據采集

SAD3578是8路14位串行輸入輸出的AD轉換器，可以配置不同工作模式進行轉換，本文使用單點轉換模式，通過SPI接口配置ADC的采樣參數，啟動數據采樣，讀取采樣數據。圖4為采樣M次6通道模擬量的軟件流程圖。

圖4 多通道模擬信號采集流程圖

上電后DSP處理器首先完成一系列初始化工作，包括DSP時鐘初始化、SPI接口初始化、電平轉換芯片JALVC164245使能和方向控制端的初始化以及SAD3578的初始化。

初始化完成后，依次進行各通道采樣。SAD3578的數據采樣由DSP通過SPI接口向其發(fā)送一個采集指令來啟動，采集指令為16位控制字，前四位為采集的通道代號，分別為0～7，后12位為預留位，無具體功能。SAD3578接收到采集指令后，先進行采樣，采樣的時間由初始化時的配置位決定(長采樣或短采樣)。采樣完成后進行模數轉換，轉換完成后轉換結束引腳EOC由低電平變?yōu)楦唠娖?，DSP檢測到轉換結束標志后，向SAD3578發(fā)送下一條采集指令，同時接收上一次采集的數據。

SAD3578的采集數據左對齊，共14位，因此DSP接收到采集數據之后先右移兩位，然后根據公式(2)和(3)轉換為電壓值和電流值。

(3)

(4)

其中:VO為采集的輸入電壓值，單位為V，Is為采集的電流值，單位為mA。

2.2 軟件濾波

利用2.1節(jié)所述采集各通道數據，繪圖分析多次采樣數據的分布直方圖，圖 5所示為輸入電流12mA時，1 000次采樣數據的分布直方圖，基本符合均值為12.037，標準差為0.014 4的正態(tài)分布。從圖5中可以看出，當輸入恒定電流時，多次采樣值中包含隨機誤差。

圖5 輸入電流12 mA時，1 000次采樣數據的分布直方圖

為減小采集的隨機誤差，消除信號抖動影響，在軟件上采取多次采樣，去除最大值和最小值，然后遞推平均濾波的方法，抑制采集信號中的周期性干擾。采樣結果的計算公式如公式(5)所示:

(5)

其中:i為濾波后的采樣值，ik(k=1～N)為N次原始采樣值隊列，imax和imin分別為ik隊列的最大值和最小值。當獲取一個新原始采樣值后，該值入隊，原隊列的首個數據出隊，依次類推。

圖6所示為軟件濾波前后，輸入電流值分別為4mA、12mA、20mA時，1 000次采樣數據的分布對比圖，圖中同時標示出了采集數據的標準差，可以看出，經過軟件濾波后，采樣數據的標準差大大減小，分布更加集中。但是，采樣電流值與輸入電流值相比，仍有恒定的正偏置誤差。不同通道的最大采樣誤差隨輸入電流的關系如圖 7所示。

圖6 濾波前后，1 000次采樣數據的分布直方圖對比

圖7 六通道模擬信號最大誤差隨輸入電流變化曲線

2.3 最小二乘估計

SAD3578的輸入引腳輸入-10～+10V的模擬信號，通過圖 8[3]所示的電路轉換為0～4V的模擬電壓，再與4V的參考電壓相比，得出最后的轉換值。

圖8 SAD3578內部模擬輸入端電壓轉換電路

根據基爾霍夫電流定律，信號Ain經過圖 8所示的電路后，輸出電壓Vo與Ain的關系如公式6所示，當Ain范圍為-10～+10 V時，Vo輸出范圍為0～4 V。由于工藝問題，圖 8中的電阻存在誤差，使Vo和Ain的關系并不嚴格成公式6所示的比例關系，而且各通道之間的一致性也不好，使得采集結果存在增益誤差和偏置誤差，造成了采集誤差偏大，超出了指標要求。

(6)

由于阻性元件為線性元件，ADC的輸入輸出之間的關系為線性關系，因此，通過采集多個已知電流值的數據，利用最小二乘和一元線性回歸方法對數據進行處理，擬合出一條最佳直線[4]，如公式(7)所示。

(7)

其中:is為采樣獲得的電流值，ii為輸入的實際電流值。a、b的最佳估計值由公式(8)[5]得出。

(8)

(9)

由于不同的芯片之間，同一芯片的不同通道之間，一致性不好，造成每個通道的擬合參數都不一樣。因此，不能采用給某個通道輸入不同的固定電流值，通過對采樣結果進行擬合，對其它通道進行校正的在線校正方法。只能在產品出廠調試時對ADC的各個采集通道分別進行軟件修正，將擬合的兩個參數存入電路中的鐵電存儲器或者其它非易失性存儲器中。電路每次上電后，從存儲器中讀取參數，并加載到相應的程序中，即可實現高精度的模擬信號采集。

3 試驗結果與分析

圖 9所示為利用最小二乘估計進行軟件校正前后，輸入電流值分別為4mA、12mA、20mA時，1 000次采樣數據的分布對比圖，圖中同時標示出了采集數據的平均值，可以看出，經過軟件校正后，采樣數據的平均誤差大大減小。

圖9 校正前后，1 000次采樣數據的分布直方圖對比

圖10所示為按照公式(9)，不同的通道在不同的輸入電流下，校正前后的最大采集誤差對比，可以看出，經過軟件修正，輸入信號在4～20mA的范圍內時，采集精度大大提高，最大采樣誤差由0.8%提高到0.12%左右。

圖10 校正前后，最大采集誤差隨輸入電流變化曲線對比

4 結論

本文以國產的處理器和ADC芯片為核心，設計了一種模擬信號采集模塊，并采用遞推平均濾波方法和最小二乘估計方法，降低隨機誤差、固有偏置和增益誤差，提高模擬信號的采集精度，使采樣精度從校正前的0.8%提高到了0.12‰。試驗結果表明，本文設計的模擬信號采集模塊采樣精度高，達到了同類型進口芯片的精度水平。

本文中的模擬信號采集模塊全部采用國產化元器件進行設計，國產化率達到100%，并且元器件的質量等級均為普軍級及以上，可靠性高，在有自主可控要求的裝備中有良好的應用前景。

[1] 韓繼國, 數據轉換器走向國產化還有多遠[J].集成電路應用, 2014(4).

[2] 中電24所.SAD3578數據手冊[Z].2009.

[3]TI.TLC3578數據手冊[Z]. 2003.

[4] 何 平, 王繼坤, 岳長進.一種提高DSP的ADC精度的方法[J].科學計算與信息處理,

[5] 何書元.概率論與數理統(tǒng)計[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

A Method for Improving Sample Accuracy of Domestic ADC Module

Zhou Yongming1, Xu Jinliang1, Wang Shuwei2, Wang Zhenzhen1, Zhang Hongbin1

(1.Beijing Institute of Space Launch Technology, Beijing 100076,China;2.Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076,China)

To solve the problem of equipment’ independence, a completely domestic multi-channel analog signal acquisition circuit based on domestic CPU and ADC was designed. Because of the low precision of the current domestic analog chip, especially the analog-to-digital converter chip, the precision of the analog signal acquisition module was low, making the practicability poor. In order to improve the sample precision, the recursive average filtering method was used to suppress the periodic interference and reduce the random error. Secondly, a linear regression was performed on the pre-measured values, and the sample values were estimated by the least squares method to reduce the inherent offset error and gain error. It could be concluded from the experiment results that the acquisition circuit could acquire multi-channel analog signal simultaneously, and had high acquisition precision. The biggest sample error was reduced from 0.8% to 0.12%. There was good consistency between the module’s channels. The module was of high reliability and of 100% domestic rate, making it have good prospect for application.

improve; domestic ADC; sample accuracy; recursive average filter; least square estimation

2016-08-30；

2016-09-22。

周永明(1988-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，工程師，主要從事應用電子技術方向的研究。

1671-4598(2017)02-0149-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.041

TH86

A