TMS320F281xDSP內置ADC誤差補償方法

解　明，喬　雙

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

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TMS320F281xDSP內置ADC誤差補償方法

解明，喬雙

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

針對實際開發使用過程中，TMS320F281xDSP內置ADC存在非線性誤差問題，給出了一種誤差補償方法.在硬件上通過REF3120提供穩定的外部參考電壓；在軟件上，應用平均值法和分段補償法進一步提高A/D轉換性能，從而有效地消除誤差，使測量精度達到0.1%.

TMS320F281xDSP；A/D轉換；非線性誤差

TI(德州儀器公司)2000系列DSP以其出色的性能、強大的計算能力在工業自動化、通信、控制等領域得到廣泛應用.TMS320F281xDSP作為2000系列中較為出色的一員，片上集成了12位16通道的模/數轉換器，理論上其轉換精度應在0.1%以上，但是在實際應用中卻存在較大的非線性誤差，所以必須對ADC進行校正與補償.

傳統的ADC校正方法在很多DSP開發文獻中都有介紹[1]，在ADC兩路通道輸入已知的標準電壓，根據兩點確定一條直線，確定理想的A/D轉換曲線，以此為依據對實際轉換曲線進行校正.但是在實際開發過程中，A/D轉換誤差是非線性的，傳統方法并不能很有效地提高A/D轉換精度，反而在一定的電壓范圍內會使測量誤差增加，影響后續工作，這往往被開發人員所忽視.本文針對TMS320F281xDSP內置ADC存在的非線性誤差問題，給出一種補償方法.實驗結果表明該方法效果顯著.

1　TMS320F281xDSP內置ADC

TMS320F281xDSP中的ADC模塊是一個12位帶流水線的模/數轉換器[2-4]，其模擬電路包括前向模擬多路復用開關、采樣/保持電路、模數轉換內核、電壓參考以及其他模擬輔助電路.模/數轉換單元的數字電路包括可編程轉換序列器、結果寄存器、與模擬電路的接口電路、與芯片外設總線的接口及同其他片上模塊的接口電路等.

TMS320F281xDSP的A/D轉換模塊有16個通道，可配置為2個獨立的8通道模塊，分別服務于事件管理器A和B，2個獨立的8通道模塊也可以級聯成一個16通道模塊.圖1給出了TMS320F281xDSP的ADC模塊功能框圖.

2　ADC的誤差分析

理想情況下，如果ADC的量化精度可以無窮大，那么ADC的傳遞函數曲線應該是一條斜率為1的直線.但是在實際的A/D轉換過程中，由于受電路結構和器件的制作工藝等條件的影響，實際轉換結果往往與理想值存在誤差.實驗數據表明，在A/D轉換過程中存在的誤差是非線性的.這在測量精度要求比較高的場合是不能直接進一步應用的.

圖1　TMS320F281xDSP的ADC模塊功能框圖

ADC的精度與許多因素有關[5]，其中包括分辨率、失調誤差、增益誤差、微分非線性和積分非線性、電壓基準的精度、溫度效應和交流特性等，通常都以LSB或FSR的百分比表示.最新生產的ADC芯片的失調誤差和增益誤差得到了有效地降低，只要保證電壓基準的精度和環境溫度不發生大的波動，這兩項誤差可以忽略不計.而非線性誤差往往成為影響ADC精度的主要因素.非線性誤差分為微分非線性誤差和積分非線性誤差.微分非線性是指ADC相鄰兩刻度之間最大的差異，也稱差分非線性.積分非線性是指輸入/輸出特性曲線與連接兩點直線之間的最大偏差.

用TMS320F281xDSP進行實際開發的過程中發現，其內置12位ADC存在3.7%的非線性誤差，使得其精度接近于理想10位ADC的精度.我們在硬件和軟件上給出補償，補償后精度達到0.1%.

3　誤差補償

3.1硬件補償

TMS320F281xDSP的A/D轉換單元可以選擇內部參考電壓和外部參考電壓，由控制寄存器3的第8位(EXTREF)控制.使用初期，應用芯片內部的參考電壓，但實驗結果誤差較大，其原因是芯片內部參考電壓沒有足夠嚴格的規格，不夠穩定.我們采用了TI公司的穩壓芯片REF3120，設計外部參考電壓電路，為DSP提供2.048和1.048 9 V的穩定參考電壓，并增加緩沖電路，減少信號負載對參考電壓的影響.原理圖如圖2所示.

3.2軟件補償

TMS320F281xDSP內置12位ADC，輸入電壓范圍為0～3 V；如果輸入電壓為U，其A/D轉換的理論值為Y，那么Y=U×4 095/3.

圖2　TMS320F281xDSP外部參考電壓電路

輸入電壓/VA/D轉換理論值A/D轉換實際值輸入電壓/VA/D轉換理論值A/D轉換實際值0.010014851.4348195819580.07791061711.4628199719930.10831482191.5342209420900.12321682441.5638213521520.16882302961.5926214721640.22923133721.6211221322010.27443754351.6708229022720.35054785441.7075233123170.42595816401.7559239723660.47526497081.7935244824180.54757478021.8223248724570.59248098621.8505252624920.62368518961.8798256625270.64038749311.9081260525750.68389339961.9371264426060.727299310511.9622267826490.7561103210882.0483279627450.7994109111462.0799283927840.8285113111832.1368291728620.8573117012182.2507307230010.9008123012742.3080315030730.9297126913052.3759324331670.9586130813492.4189330232130.9875134813852.5179343733471.0172138814292.6173357334681.0598144714792.7311372836081.0742146614942.8420387937561.1175152515512.9020396138341.1747160316222.9555403438931.2178166216773.0188—39681.2758174117513.1248—40801.3183179918133.2001—40951.3470183918473.2887—40951.3759187818833.2971—40951.4055191919263.3110—4095

從實驗測得的結果可以看出，應用平均值法使A/D轉換非線性誤差得到一定補償.但是當輸入電壓靠近0 V或者靠近3 V的時候，轉換理論值與轉換實際值最大偏差可達到150，12位ADC的量程為4 095，那么最大非線性誤差就可達到150/4 095=3.66%，仍然存在較大誤差.采用分段補償法[6]來提高轉換精度.通過對大量的測量數據統計，針對A/D轉換結果的不同的范圍，得到了理論值與實際值的函數關系，并在軟件上進行補償.假設實際A/D轉換結果為X，理論值為Y，那么Y與X的關系如下：

(1)

經過使用分段補償法后，理論值和實際值測量曲線見圖4.

圖3　平均值法校正后的理論值與實際值的曲線

圖4　再應用分段補償法理論值與實際值的曲線

圖4中A/D轉換的理論值和實際值曲線基本重合，應用分段補償法進一步消除了實驗過程中的非線性誤差，補償后精度達到0.1%[9-10].

4　小結

針對TMS320F281xDSP使用過程中出現的ADC存在非線性誤差的問題，給出了一種誤差補償方法.硬件上通過REF3120提供穩定的外部參考電壓，在軟件上加入濾波算法，應用平均值法和分段補償法進一步提高A/D轉換性能.實驗結果表明，應用這種方法很好地消除了A/D轉換的非線性誤差.

[1]杜春洋，王宇超.零基礎學TMS320F281xDSP C語言開發[M].北京：機械工業出版社，2010：124-125.

[2]蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281xDSP原理及C程序開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：329-331.

[3]萬山明.TMS320F281xDSP原理及應用實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：91-93.

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(責任編輯：石紹慶)

A compensation method of the error of TMS320F281xDSP built-in ADC

XIE Ming，QIAO Shuang

(School of Physics，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

In view of the actual development in use process，the built-in ADC TMS320F281xDSP problems of nonlinear error，a method of error compensation is presented. On hardware through REF3120 provide stable external reference voltage，on the software，the method of average and piecewise compensation method to further improve the performance of A/D conversion effectively eliminate the error.

TMS320F281xDSP;A/D conversion；nonlinear error

1000-1832(2016)03-0084-05

2015-04-02

國家自然科學基金資助項目(11275046，11305034)；國家重大科學儀器設備專項項目(2013YQ040861).

解明(1992—)，男，碩士研究生；喬雙(1963—)，男，博士，教授，主要從事核電子學、嵌入式應用、圖像處理與模式識別研究.

TN 929[學科代碼]510·50

A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.03.016