摘要：數(shù)字信號處理器TMS320F2812的片上ADC模塊的轉(zhuǎn)化結(jié)果往往存在較大誤差,最大誤差甚至?xí)哌_(dá)9%,如果這樣直接在實際工程中應(yīng)用ADC,必然造成控制精度降低。對此提出了一種改進(jìn)的校正方法,即用最小二乘和一元線性回歸的思想,精確擬合出ADC的輸入/輸出特性曲線,并以此作為校正的基準(zhǔn)在DSP上進(jìn)行了驗證,實驗表明,此方法可以將誤差提高到1%以內(nèi),適合于對控制要求較高的場合。
0 引言
TI公司的C2000系列DSP以其出色的性能、豐富的片上外設(shè)在工業(yè)自動化、電機控制、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。TMS320F2812是C2000系列中性能出色的一個，F(xiàn)2812片上集成了12位16通道的數(shù)／模轉(zhuǎn)化器，理論上精度可以達(dá)到0．1％以上。但實際上由于增益誤差(<5％)和偏移誤差(<2％)的存在，使得精度只能在5％左右，所以必須對ADC進(jìn)行校正。
傳統(tǒng)的對于ADC的校正方法是在兩路通道輸入已知標(biāo)準(zhǔn)電壓，根據(jù)兩點確定一條直線的原理，確定出AD轉(zhuǎn)換的曲線，并以此校正轉(zhuǎn)化值。但由于在校正過程中存在偶然因素的影響，使得這種校正方法精度只能達(dá)到3％左右。對此，提出了利用最小二乘法和線性回歸的思想進(jìn)行校正的方法，通過對多個測量點的分析計算，找出最佳的擬合曲線，使得總體的均方誤差最小。
最小二乘法是高斯于1809年提出的，在多學(xué)科領(lǐng)域中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理方法。用最小二乘法估測未知參數(shù)，可以有效消除測量中粗大誤差和系統(tǒng)誤差的影響?；貧w分析是英國統(tǒng)計學(xué)家高爾頓在18*首先提出的。一元線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計中的回歸分析，來確定兩種或兩種以上變數(shù)間相互依賴的定量關(guān)系的一種統(tǒng)計分析方法之一，運用十分廣泛。一般來說，線性回歸都可以通過最小二乘法求出其方程，可以計算出對于y=bx+a的直線。
1 校正原理與實現(xiàn)方案
DSP的ADC模塊的輸入、輸出是線性關(guān)系，理想情況下，輸入輸出方程應(yīng)該是y=x。但實際上，ADC模塊是存在增益誤差和偏移誤差的，其中增益誤差是實際曲線斜率和理想曲線斜率之間的偏差，偏移誤差是0 V輸入時實際輸出值與理想輸出值(0 V)之間的偏差。F2812的ADC模擬輸入電壓為0～3 V，輸出為0～4 095，模擬輸入與數(shù)字輸出之間的對應(yīng)關(guān)系為：數(shù)字輸出值=4 095×(模擬輸入值-參考電壓值)／3．0ADC模塊輸入／輸出特性曲線如圖1所示。
圖1 ADC模塊輸入／輸出特性曲線[!--empirenews.page--]
F2812的ADC共有輸入通道16個，由于通道之間的誤差會在±0．2％以內(nèi)，所以可以任選其中的6路通道作為校正輸入端，并分別輸入6個不相等的標(biāo)準(zhǔn)直流參考電壓。通過在程序中定義結(jié)構(gòu)體變量讀取轉(zhuǎn)化后的值，得到6組輸入／輸出平面上的坐標(biāo)點。然后利用最小二乘和一元線性回歸思想處理數(shù)據(jù)，求出的擬合最佳曲線，使得各個坐標(biāo)點到該最佳曲線的距離的平方和(殘差平方和)最小。
2 最小二乘法和一元線性回歸
2．1 最小二乘原理
對于線性模型，如果有t個不可測量的未知量，理論上，可對與該t個未知量有函數(shù)關(guān)系的直接測量量進(jìn)行t次測量，即可得到函數(shù)關(guān)系。但由于測量數(shù)據(jù)不可避免地包含著測量誤差，所得到的結(jié)果也必定含有一定的誤差。為了提高所得結(jié)果的精度，可以把測量次數(shù)增加到n(n>t)，以利用抵償性減小隨機誤差的影響。
高斯認(rèn)為，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)求取未知參數(shù)時，未知參數(shù)最合適數(shù)值應(yīng)是這樣的數(shù)值，即選出使得模型輸出與觀測數(shù)據(jù)盡可能接近的參數(shù)估計，接近程度用模型輸出和數(shù)據(jù)之差的平方和來度量。這就是最小二乘的基本思想。最小二乘法原理指出，最精確的值應(yīng)在使殘余誤差平方和最小的條件下求得。
2．2 一元線性回歸原理
一元線性回歸是處理2個變量之間的關(guān)系，即兩個變量x和y之間若存在線性關(guān)系，則通過試驗，分析所得數(shù)據(jù)，找出兩者之間函數(shù)曲線。也就是工程上常遇到的直線擬合問題。
3 實驗方案與結(jié)果分析
3．1 實驗方案
實驗利用F2812開發(fā)板和DSP調(diào)試軟件CCS2．0完成。用穩(wěn)定信號源產(chǎn)生6個標(biāo)準(zhǔn)電壓，分別為0．2 V，0．5 V，1．0 V，1．5 V，2．0 V，2．5 V，輸入通道選為A0，A1，A2，B0，B1，B2。ADCL0引腳接電路板的模擬地，與模擬輸入引腳相連的信號線應(yīng)該避開數(shù)字信號線，以減少數(shù)字信號對模擬信號的干擾。輸入電路如圖2所示。
圖2 輸入電路
3．2 校正算法
設(shè)ADC模塊的輸入／輸出曲線為y=a+bx，輸入電壓值為xi，對應(yīng)的轉(zhuǎn)化輸出值為yi。由最小二乘估計算法可得方程：
解此方程組即可得到a,b的估計值：
式中，這樣這樣便得到了最佳的擬合曲線（回歸方程）：于是可以用此方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化值校正。[!--empirenews.page--]
3．3 實驗數(shù)據(jù)處理
將實驗獲得的6組數(shù)據(jù)利用上述最小二乘法和線性回歸方法進(jìn)行處理，得到a，6的最小二乘估計值分別為，于是回歸方程為：y=0．003 612+1．039 091x。以回歸方程為標(biāo)準(zhǔn)，由x=(y-0．003 612)／1．039 091可以計算出校正后的轉(zhuǎn)化值，并與未轉(zhuǎn)化的值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。
在Excel中，繪制出未校正輸入／輸出分布點，和回歸曲線，如圖3所示。
圖3 回歸曲線示意圖
3．4 結(jié)果分析
由表1和圖3可以看出，如果不采取校正措施，則F2812的ADC模塊會存在5％左右的相對誤差；而采用提出的校正方法，可以將誤差下降到1％以下。這就大大提高了A／D轉(zhuǎn)化的精度，對于對控制要求精度很高的場合，犧牲ADC模塊的6個通道，得到比較高的轉(zhuǎn)化精度，還是非常必要而且值得的。
4 結(jié)語
在此提出一種采用最小二乘法和線性回歸校正DSP的ADC模塊的方法，實驗證明此方法可以大大提高轉(zhuǎn)化精度，有效彌補了DSP中AD轉(zhuǎn)化精度不高的缺陷。此方法硬件電路簡單，成本代價較低，具有很高的推廣和利用價值。
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