作者：Minhaaz Shaik，產(chǎn)品應(yīng)用工程師

摘要

【資料圖】

本文提供一種校準(zhǔn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的方法，專(zhuān)用于引腳電子器件驅(qū)動(dòng)器、比較器、負(fù)載、PMU和DPS。DAC具有差分非線性(DNL)和積分非線性(INL)等非線性特性，我們可以通過(guò)增益和偏置調(diào)整來(lái)盡可能降低這些特性。本文描述如何執(zhí)行這些校準(zhǔn)，以改善電平設(shè)置性能。

簡(jiǎn)介

自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE)描述用于一次對(duì)單個(gè)或多個(gè)器件執(zhí)行單次或一系列測(cè)試的測(cè)試儀器。不同類(lèi)型的ATE測(cè)試電子器件、硬件和半導(dǎo)體器件。定時(shí)器件、DAC、ADC、多路復(fù)用器、繼電器和開(kāi)關(guān)都是測(cè)試儀或ATE系統(tǒng)中的支持模塊。這些引腳電子器件可以利用精確的電壓和電流提供信號(hào)和電源。這些精密信號(hào)通過(guò)電平設(shè)置DAC進(jìn)行配置。在ATE產(chǎn)品系列中，有些引腳電子器件包含校準(zhǔn)寄存器，有些校準(zhǔn)設(shè)置存儲(chǔ)在片外。本文介紹DAC的功能、誤差，以及如何通過(guò)增益和偏置調(diào)整進(jìn)行校準(zhǔn)。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

DAC是一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，用于將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬輸出電平。一個(gè)N位DAC可以支持2^N個(gè)輸出電平。位數(shù)越高，DAC輸出分辨率越高。

圖1.數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)框圖。

首先，N位數(shù)字輸入提供給DAC串行寄存器。電壓開(kāi)關(guān)和電阻求和網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為模擬輸出電平。DAC圖的轉(zhuǎn)換特性如圖2所示。對(duì)于3位DAC，2³個(gè)數(shù)字輸入生成8個(gè)模擬輸出電平。

圖2.3位DAC的理想轉(zhuǎn)換函數(shù)。

DAC誤差

在現(xiàn)實(shí)世界中，轉(zhuǎn)換器并不理想。由于電阻值、插值和采樣的誤差，DAC的轉(zhuǎn)換函數(shù)并不是一條直線，或是線性的。這些誤差被稱為差分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。DNL是輸出電平與理想步長(zhǎng)之間的最大偏差，它由兩個(gè)連續(xù)輸出電壓電平之間的差值得出。INL是輸入/輸出特性與理想轉(zhuǎn)換函數(shù)之間的最大偏差。通過(guò)增益和偏置校正，可以減小INL誤差。

圖3中的INL顯示了實(shí)際轉(zhuǎn)換函數(shù)與理想轉(zhuǎn)換函數(shù)之間的偏差。DAC的增益誤差表示實(shí)際轉(zhuǎn)換函數(shù)的線性近似斜率與理想轉(zhuǎn)換函數(shù)斜率的匹配程度。在繪圖時(shí)，調(diào)整增益會(huì)影響線性近似角度。偏置誤差是測(cè)量值與所選的零偏置點(diǎn)之間的差值。如果調(diào)整偏置量，整個(gè)線性近似曲線會(huì)相應(yīng)地向上或向下移動(dòng)。單個(gè)代碼的INL是任意給定點(diǎn)上增益誤差和偏置誤差的和。校準(zhǔn)之后，一旦增益和偏置誤差降至最低，那么轉(zhuǎn)換函數(shù)會(huì)是兩個(gè)端點(diǎn)之間的一條線。

圖3.INL誤差轉(zhuǎn)換函數(shù)。

校準(zhǔn)程序

用戶可以建立校準(zhǔn)程序，利用增益和偏置校正來(lái)降低DAC的非線性。以下步驟詳細(xì)說(shuō)明了示例校準(zhǔn)程序的每個(gè)步驟。

對(duì)于N位DAC：

最大代碼(MC) = (2^N– 1)

電壓范圍(V_RANGE)

= 最大DAC輸出電壓(V_MAX)

– 最小DAC輸出電壓(V_MIN) = 4 × V_REF

DAC輸入代碼（未校準(zhǔn)）

?增益校正(GC)：

在最低和最高二進(jìn)制值時(shí)，DAC的線性度會(huì)降低。因此，建議在外部二進(jìn)制值或EC表推薦的校準(zhǔn)點(diǎn)之間的5%至10%范圍內(nèi)選擇校準(zhǔn)點(diǎn)。進(jìn)行以下計(jì)算時(shí)，我們假設(shè)選擇5%的校準(zhǔn)點(diǎn)。

●?將DAC輸入設(shè)置為高于最低二進(jìn)制值5%。計(jì)算預(yù)期的電壓輸出并將其記錄為IDEAL1。測(cè)量輸出電壓，并將其記錄為MEAS1。

●?將DAC輸入設(shè)置為低于最高二進(jìn)制值5%。計(jì)算并記錄IDEAL2。測(cè)量輸出電壓，并將其記錄為MEAS2。

●?DAC輸入代碼（進(jìn)行增益校正）

?偏置校正(OC)：

所需的零偏置點(diǎn)因應(yīng)用而異。用戶應(yīng)該根據(jù)自己的應(yīng)用定義最佳值。有些用戶可能喜歡使用0V來(lái)獲得準(zhǔn)確的接地參考點(diǎn)。有些用戶喜歡使用操作范圍的中間值來(lái)盡量減少總體INL誤差。

● 對(duì)電壓-代碼公式的斜率應(yīng)用DAC增益校正，以確立單位增益。

●?選擇所需的零偏置電壓點(diǎn)并將其記錄為IDEAL3。使用更新后的電壓-代碼公式計(jì)算代碼。編程設(shè)置計(jì)算得出的代碼，然后測(cè)量輸出電壓，并將其記錄為MEAS3。

●?OC = MEAS3 – IDEAL3

●?DAC輸入代碼（進(jìn)行增益和偏置校正）

示例1

以MAX32007為例，它是一個(gè)八通道DCL，集成了電平設(shè)置DAC和PMU開(kāi)關(guān)。MAX32007具有內(nèi)部DAC，用于設(shè)置VDH、VDL、VDT/VCOM、VCH、VCL、VCPH和VCPL的電平。這些DAC沒(méi)有內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器。校準(zhǔn)DAC時(shí)，請(qǐng)遵循以下步驟：

?按照評(píng)估套件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的說(shuō)明，啟動(dòng)MAX32007評(píng)估(EV)套件。

?將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。

?通過(guò)50 Ω端接裝置，將SMB連接器NDATA0A和TRM0A接地。

?使用USB電纜，將評(píng)估套件連接至Windows^?10 PC。打開(kāi)MAX32007評(píng)估套件軟件(GUI)。

?VDH DAC分辨率= N = 14

最大代碼= (MC) = 2^N– 1 = 16383

電壓范圍(V_RANGE)

= 最大DAC輸出電壓(V_MAX)

– 最小DAC輸出電壓(V_MIN) = 7.5 – (–2.5) = 10

VDH DAC輸入代碼（未校準(zhǔn)）

采用圖4所示的DAC電壓電平和驅(qū)動(dòng)器設(shè)置。注意，最低VDH DAC工作電壓值為–1.5 V，最高工作電壓值為4.5 V；在本例中，零偏置點(diǎn)值為1.5 V。

圖4.使用評(píng)估板軟件設(shè)置MAX32007的DAC電平。

?施加VDH = –1.5 V，然后測(cè)量輸出電壓值。

?施加VDH = 4.5 V，然后測(cè)量輸出電壓值。

?增益校正 = 測(cè)量輸出電壓值之間的差值/理想值之間的差值。例如，(4.501–(–1.497))/(4.5–(–1.5)) = 0.999667

?進(jìn)行增益校正后，

VDH DAC輸入代碼（進(jìn)行增益校正）

要應(yīng)用增益校正，打開(kāi)菜單→ 選項(xiàng)→ 校準(zhǔn)，如圖5所示。

圖5.MAX32007 DAC的校準(zhǔn)菜單。

?施加VDH = 1.5 V（包含增益校正代碼），然后測(cè)量輸出電壓值。

?偏置校正 = 測(cè)量輸出值–理想值。例如，(1.502–1.5) = 0.002。

?在執(zhí)行增益和偏置校正之后，

VDH DAC輸入代碼（進(jìn)行增益和偏置校正）

示例2

以MAX9979為例，它是一個(gè)八通道DCL，集成了電平設(shè)置DAC和PMU。MAX9979包含內(nèi)部DAC，用于設(shè)置VDH、VDL、VDT、VCH、VCL、VCPH、VCPL、VCOM、VLDH、VLDL、VIN、VIOS、CLAMPHI/VHH和CLAMPLO的電平。這些DAC具有內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器。在示例1中，調(diào)節(jié)了DAC輸出代碼，以盡量減少I(mǎi)NL誤差。在示例2中，DAC輸入代碼保持不變，校準(zhǔn)寄存器調(diào)整輸出級(jí)緩沖器以盡量減少I(mǎi)NL誤差，如圖6所示。要校準(zhǔn)DAC，請(qǐng)遵循以下步驟：

?按照評(píng)估套件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的說(shuō)明，啟動(dòng)MAX9979評(píng)估套件。

?將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。

?通過(guò)50 Ω端接裝置，將SMB連接器NDATA0A和TRM0A接地。

?使用USB電纜，將評(píng)估套件連接至Windows 10 PC。打開(kāi)MAX9979評(píng)估套件軟件(GUI)。

?VDH DAC分辨率= N = 16

最大代碼= (MC) = 2¹⁶– 1 = 65535

電壓范圍(V_RANGE)

= 最大DAC輸出電壓(V_MAX)

– 最小DAC輸出電壓(V_MIN) = 7.5 – (–2.5) = 10

VDH DAC輸入代碼（未進(jìn)行增益校正）

?采用圖7所示的DAC電壓電平和驅(qū)動(dòng)器設(shè)置。注意，VDH DAC的最低建議值為–1.5 V，最高建議值為4.5 V，零偏置點(diǎn)值為1.5 V。

圖6.帶校準(zhǔn)寄存器的DAC的INL誤差校正。

圖7.使用評(píng)估板軟件設(shè)置MAX9979的DAC電平。

?施加VDH = -1.45 V，然后測(cè)量輸出電壓值。

?施加VDH = 6.5 V，然后測(cè)量輸出電壓值。

?增益校正 = 測(cè)量輸出電壓值之間的差值/理想值之間的差值。例如，(6.501 V–(–1.455 V))/(6.5 V–(–1.45 V)) = 1.0007 V。

?進(jìn)行增益校正后，

VDH DAC輸入代碼（進(jìn)行增益校正）

?施加VDH = 1.5 V（包含增益校正代碼），然后測(cè)量輸出電壓值。

?偏置校正 = 測(cè)量輸出值–理想值。例如，(1.502–1.5) = 0.002。

?在執(zhí)行增益和偏置校正之后，

VDH DAC輸入代碼（進(jìn)行增益和偏置校正）

注意，要執(zhí)行增益和偏置校正，請(qǐng)轉(zhuǎn)至菜單→ 選項(xiàng)→ 更改→ 校準(zhǔn)，如圖8所示。有關(guān)將增益和偏置校正轉(zhuǎn)換為增益和偏置代碼的更多信息，參見(jiàn)MAX9979數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖8.MAX9979的校準(zhǔn)寄存器設(shè)置。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Minhaaz Shaik是ADI公司的一名技術(shù)人員，在模擬和混合信號(hào)領(lǐng)域作為應(yīng)用/系統(tǒng)工程師，擁有超過(guò)5年的工作經(jīng)驗(yàn)。Minhaaz主要負(fù)責(zé)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備(ATE)引腳電子器件、ADC、DAC，以及電源監(jiān)控器和接口IC等產(chǎn)品系列。她精通電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室評(píng)估、自動(dòng)化、客戶支持和技術(shù)寫(xiě)作，并且深入了解SPICE仿真和電路設(shè)計(jì)。聯(lián)系方式：minhaaz.shaik@analog.com。

關(guān)鍵詞： 輸出電壓 電子器件 數(shù)字輸入 數(shù)據(jù)手冊(cè) 模擬輸出