TMS320F281xDSP內(nèi)置ADC誤差補(bǔ)償方法

解　明，喬　雙

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

?

TMS320F281xDSP內(nèi)置ADC誤差補(bǔ)償方法

解明，喬雙

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

針對(duì)實(shí)際開發(fā)使用過程中，TMS320F281xDSP內(nèi)置ADC存在非線性誤差問題，給出了一種誤差補(bǔ)償方法.在硬件上通過REF3120提供穩(wěn)定的外部參考電壓；在軟件上，應(yīng)用平均值法和分段補(bǔ)償法進(jìn)一步提高A/D轉(zhuǎn)換性能，從而有效地消除誤差，使測(cè)量精度達(dá)到0.1%.

TMS320F281xDSP；A/D轉(zhuǎn)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(qiáng)大的計(jì)算能力在工業(yè)自動(dòng)化、通信、控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)換器，理論上其轉(zhuǎn)換精度應(yīng)在0.1%以上，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻存在較大的非線性誤差，所以必須對(duì)ADC進(jìn)行校正與補(bǔ)償.

傳統(tǒng)的ADC校正方法在很多DSP開發(fā)文獻(xiàn)中都有介紹[1]，在ADC兩路通道輸入已知的標(biāo)準(zhǔn)電壓，根據(jù)兩點(diǎn)確定一條直線，確定理想的A/D轉(zhuǎn)換曲線，以此為依據(jù)對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線進(jìn)行校正.但是在實(shí)際開發(fā)過程中，A/D轉(zhuǎn)換誤差是非線性的，傳統(tǒng)方法并不能很有效地提高A/D轉(zhuǎn)換精度，反而在一定的電壓范圍內(nèi)會(huì)使測(cè)量誤差增加，影響后續(xù)工作，這往往被開發(fā)人員所忽視.本文針對(duì)TMS320F281xDSP內(nèi)置ADC存在的非線性誤差問題，給出一種補(bǔ)償方法.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法效果顯著.

1　TMS320F281xDSP內(nèi)置ADC

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

TMS320F281xDSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊有16個(gè)通道，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B，2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊也可以級(jí)聯(lián)成一個(gè)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(shù)曲線應(yīng)該是一條斜率為1的直線.但是在實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換過程中，由于受電路結(jié)構(gòu)和器件的制作工藝等條件的影響，實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)果往往與理想值存在誤差.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在A/D轉(zhuǎn)換過程中存在的誤差是非線性的.這在測(cè)量精度要求比較高的場(chǎng)合是不能直接進(jìn)一步應(yīng)用的.

圖1　TMS320F281xDSP的ADC模塊功能框圖

ADC的精度與許多因素有關(guān)[5]，其中包括分辨率、失調(diào)誤差、增益誤差、微分非線性和積分非線性、電壓基準(zhǔn)的精度、溫度效應(yīng)和交流特性等，通常都以LSB或FSR的百分比表示.最新生產(chǎn)的ADC芯片的失調(diào)誤差和增益誤差得到了有效地降低，只要保證電壓基準(zhǔn)的精度和環(huán)境溫度不發(fā)生大的波動(dòng)，這兩項(xiàng)誤差可以忽略不計(jì).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(diǎn)直線之間的最大偏差.

用TMS320F281xDSP進(jìn)行實(shí)際開發(fā)的過程中發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)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?cè)谟布蛙浖辖o出補(bǔ)償，補(bǔ)償后精度達(dá)到0.1%.

3　誤差補(bǔ)償

3.1硬件補(bǔ)償

TMS320F281xDSP的A/D轉(zhuǎn)換單元可以選擇內(nèi)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(yīng)用芯片內(nèi)部的參考電壓，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大，其原因是芯片內(nèi)部參考電壓沒有足夠嚴(yán)格的規(guī)格，不夠穩(wěn)定.我們采用了TI公司的穩(wěn)壓芯片REF3120，設(shè)計(jì)外部參考電壓電路，為DSP提供2.048和1.048 9 V的穩(wěn)定參考電壓，并增加緩沖電路，減少信號(hào)負(fù)載對(duì)參考電壓的影響.原理圖如圖2所示.

3.2軟件補(bǔ)償

TMS320F281xDSP內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換理論值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換實(shí)際值輸入電壓/VA/D轉(zhuǎn)換理論值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換實(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果可以看出，應(yīng)用平均值法使A/D轉(zhuǎn)換非線性誤差得到一定補(bǔ)償.但是當(dāng)輸入電壓靠近0 V或者靠近3 V的時(shí)候，轉(zhuǎn)換理論值與轉(zhuǎn)換實(shí)際值最大偏差可達(dá)到150，12位ADC的量程為4 095，那么最大非線性誤差就可達(dá)到150/4 095=3.66%，仍然存在較大誤差.采用分段補(bǔ)償法[6]來提高轉(zhuǎn)換精度.通過對(duì)大量的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，針對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的不同的范圍，得到了理論值與實(shí)際值的函數(shù)關(guān)系，并在軟件上進(jìn)行補(bǔ)償.假設(shè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為X，理論值為Y，那么Y與X的關(guān)系如下：

(1)

經(jīng)過使用分段補(bǔ)償法后，理論值和實(shí)際值測(cè)量曲線見圖4.

圖3　平均值法校正后的理論值與實(shí)際值的曲線

圖4　再應(yīng)用分段補(bǔ)償法理論值與實(shí)際值的曲線

圖4中A/D轉(zhuǎn)換的理論值和實(shí)際值曲線基本重合，應(yīng)用分段補(bǔ)償法進(jìn)一步消除了實(shí)驗(yàn)過程中的非線性誤差，補(bǔ)償后精度達(dá)到0.1%[9-10].

4　小結(jié)

針對(duì)TMS320F281xDSP使用過程中出現(xiàn)的ADC存在非線性誤差的問題，給出了一種誤差補(bǔ)償方法.硬件上通過REF3120提供穩(wěn)定的外部參考電壓，在軟件上加入濾波算法，應(yīng)用平均值法和分段補(bǔ)償法進(jìn)一步提高A/D轉(zhuǎn)換性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用這種方法很好地消除了A/D轉(zhuǎn)換的非線性誤差.

[1]杜春洋，王宇超.零基礎(chǔ)學(xué)TMS320F281xDSP C語言開發(fā)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：124-125.

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

[3]萬山明.TMS320F281xDSP原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：91-93.

[4]宮月紅，羅敏，金杰.流水線型ADC誤差及相應(yīng)校正策略研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2014，31(5)：130-134.

[5]孫俊岳.流水線型10-bit高速ADC芯片設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007，.

[6]黃帥，喬雙.SPCE061A內(nèi)置ADC非線性誤差的補(bǔ)償方法[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，43(2)：68-71.

[7]向紅軍，雷彬.基于單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字濾波方法的研究[J].電測(cè)與儀表，2005，42(477)：53-55.

[8]寇攀峰，呂強(qiáng)中.合理選擇基于單片機(jī)的數(shù)字濾波方法[J].微處理機(jī)，2004，1：52-55.

[9]徐屹，劉洪偉，曲忠憲，鄧冠男.基于不變流形研究自治系統(tǒng)的首次積分[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，45(2)：20-24.

[10]孫英慧，孫英娟，蒲東兵，姜艷.一種基于連續(xù)屬性離散化的知識(shí)分類方法[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，44(1)：45-49.

(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11275046，11305034)；國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備專項(xiàng)項(xiàng)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(xué)、嵌入式應(yīng)用、圖像處理與模式識(shí)別研究.

TN 929[學(xué)科代碼]510·50

A

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