TMS320F281xDSP内置ADC误差补偿方法

解　明，乔　双

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)



TMS320F281xDSP内置ADC误差补偿方法

解明，乔双

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

针对实际开发使用过程中，TMS320F281xDSP内置ADC存在非线性误差问题，给出了一种误差补偿方法.在硬件上通过REF3120提供稳定的外部参考电压；在软件上，应用平均值法和分段补偿法进一步提高A/D转换性能，从而有效地消除误差，使测量精度达到0.1%.

TMS320F281xDSP；A/D转换；非线性误差

TI(德州仪器公司)2000系列DSP以其出色的性能、强大的计算能力在工业自动化、通信、控制等领域得到广泛应用.TMS320F281xDSP作为2000系列中较为出色的一员，片上集成了12位16通道的模/数转换器，理论上其转换精度应在0.1%以上，但是在实际应用中却存在较大的非线性误差，所以必须对ADC进行校正与补偿.

传统的ADC校正方法在很多DSP开发文献中都有介绍[1]，在ADC两路通道输入已知的标准电压，根据两点确定一条直线，确定理想的A/D转换曲线，以此为依据对实际转换曲线进行校正.但是在实际开发过程中，A/D转换误差是非线性的，传统方法并不能很有效地提高A/D转换精度，反而在一定的电压范围内会使测量误差增加，影响后续工作，这往往被开发人员所忽视.本文针对TMS320F281xDSP内置ADC存在的非线性误差问题，给出一种补偿方法.实验结果表明该方法效果显著.

1　TMS320F281xDSP内置ADC

TMS320F281xDSP中的ADC模块是一个12位带流水线的模/数转换器[2-4]，其模拟电路包括前向模拟多路复用开关、采样/保持电路、模数转换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路.模/数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口电路、与芯片外设总线的接口及同其他片上模块的接口电路等.

TMS320F281xDSP的A/D转换模块有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，2个独立的8通道模块也可以级联成一个16通道模块.图1给出了TMS320F281xDSP的ADC模块功能框图.

2　ADC的误差分析

理想情况下，如果ADC的量化精度可以无穷大，那么ADC的传递函数曲线应该是一条斜率为1的直线.但是在实际的A/D转换过程中，由于受电路结构和器件的制作工艺等条件的影响，实际转换结果往往与理想值存在误差.实验数据表明，在A/D转换过程中存在的误差是非线性的.这在测量精度要求比较高的场合是不能直接进一步应用的.

图1　TMS320F281xDSP的ADC模块功能框图

ADC的精度与许多因素有关[5]，其中包括分辨率、失调误差、增益误差、微分非线性和积分非线性、电压基准的精度、温度效应和交流特性等，通常都以LSB或FSR的百分比表示.最新生产的ADC芯片的失调误差和增益误差得到了有效地降低，只要保证电压基准的精度和环境温度不发生大的波动，这两项误差可以忽略不计.而非线性误差往往成为影响ADC精度的主要因素.非线性误差分为微分非线性误差和积分非线性误差.微分非线性是指ADC相邻两刻度之间最大的差异，也称差分非线性.积分非线性是指输入/输出特性曲线与连接两点直线之间的最大偏差.

用TMS320F281xDSP进行实际开发的过程中发现，其内置12位ADC存在3.7%的非线性误差，使得其精度接近于理想10位ADC的精度.我们在硬件和软件上给出补偿，补偿后精度达到0.1%.

3　误差补偿

3.1硬件补偿

TMS320F281xDSP的A/D转换单元可以选择内部参考电压和外部参考电压，由控制寄存器3的第8位(EXTREF)控制.使用初期，应用芯片内部的参考电压，但实验结果误差较大，其原因是芯片内部参考电压没有足够严格的规格，不够稳定.我们采用了TI公司的稳压芯片REF3120，设计外部参考电压电路，为DSP提供2.048和1.048 9 V的稳定参考电压，并增加缓冲电路，减少信号负载对参考电压的影响.原理图如图2所示.

3.2软件补偿

TMS320F281xDSP内置12位ADC，输入电压范围为0～3 V；如果输入电压为U，其A/D转换的理论值为Y，那么Y=U×4 095/3.

图2　TMS320F281xDSP外部参考电压电路

输入电压/VA/D转换理论值A/D转换实际值输入电压/VA/D转换理论值A/D转换实际值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

从实验测得的结果可以看出，应用平均值法使A/D转换非线性误差得到一定补偿.但是当输入电压靠近0 V或者靠近3 V的时候，转换理论值与转换实际值最大偏差可达到150，12位ADC的量程为4 095，那么最大非线性误差就可达到150/4 095=3.66%，仍然存在较大误差.采用分段补偿法[6]来提高转换精度.通过对大量的测量数据统计，针对A/D转换结果的不同的范围，得到了理论值与实际值的函数关系，并在软件上进行补偿.假设实际A/D转换结果为X，理论值为Y，那么Y与X的关系如下：

(1)

经过使用分段补偿法后，理论值和实际值测量曲线见图4.

图3　平均值法校正后的理论值与实际值的曲线

图4　再应用分段补偿法理论值与实际值的曲线

图4中A/D转换的理论值和实际值曲线基本重合，应用分段补偿法进一步消除了实验过程中的非线性误差，补偿后精度达到0.1%[9-10].

4　小结

针对TMS320F281xDSP使用过程中出现的ADC存在非线性误差的问题，给出了一种误差补偿方法.硬件上通过REF3120提供稳定的外部参考电压，在软件上加入滤波算法，应用平均值法和分段补偿法进一步提高A/D转换性能.实验结果表明，应用这种方法很好地消除了A/D转换的非线性误差.

[1]杜春洋，王宇超.零基础学TMS320F281xDSP C语言开发[M].北京：机械工业出版社，2010：124-125.

[2]苏奎峰，吕强，常天庆，等.TMS320X281xDSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：329-331.

[3]万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：91-93.

[4]宫月红，罗敏，金杰.流水线型ADC误差及相应校正策略研究[J].微电子学与计算机，2014，31(5)：130-134.

[5]孙俊岳.流水线型10-bit高速ADC芯片设计[D].大连：大连理工大学，2007，.

[6]黄帅，乔双.SPCE061A内置ADC非线性误差的补偿方法[J].东北师大学报(自然科学版)，2011，43(2)：68-71.

[7]向红军，雷彬.基于单片机系统的数字滤波方法的研究[J].电测与仪表，2005，42(477)：53-55.

[8]寇攀峰，吕强中.合理选择基于单片机的数字滤波方法[J].微处理机，2004，1：52-55.

[9]徐屹，刘洪伟，曲忠宪，邓冠男.基于不变流形研究自治系统的首次积分[J].东北师大学报(自然科学版)，2013，45(2)：20-24.

[10]孙英慧，孙英娟，蒲东兵，姜艳.一种基于连续属性离散化的知识分类方法[J].东北师大学报(自然科学版)，2012，44(1)：45-49.

(责任编辑：石绍庆)

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

国家自然科学基金资助项目(11275046，11305034)；国家重大科学仪器设备专项项目(2013YQ040861).

解明(1992—)，男，硕士研究生；乔双(1963—)，男，博士，教授，主要从事核电子学、嵌入式应用、图像处理与模式识别研究.

TN 929[学科代码]510·50

A

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