【導讀】本文提供一種校準數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的方法，專用于引腳電子器件驅(qū)動器、比較器、負載、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，我們可以通過增益和偏置調(diào)整來盡可能降低這些特性。本文描述如何執(zhí)行這些校準，以改善電平設(shè)置性能。
簡介
自動化測試設(shè)備(ATE)描述用于一次對單個或多個器件執(zhí)行單次或一系列測試的測試儀器。不同類型的ATE測試電子器件、硬件和半導體器件。定時器件、DAC、ADC、多路復用器、繼電器和開關(guān)都是測試儀或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和電源。這些精密信號通過電平設(shè)置DAC進行配置。在ATE產(chǎn)品系列中，有些引腳電子器件包含校準寄存器，有些校準設(shè)置存儲在片外。本文介紹DAC的功能、誤差，以及如何通過增益和偏置調(diào)整進行校準。
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N位DAC可以支持2N個輸出電平。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。對于3位DAC，23個數(shù)字輸入生成8個模擬輸出電平。
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之間的最大偏差，它由兩個連續(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。通過增益和偏置校正，可以減小INL誤差。
圖3中的INL顯示了實際轉(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，調(diào)整增益會影響線性近似角度。偏置誤差是測量值與所選的零偏置點之間的差值。如果調(diào)整偏置量，整個線性近似曲線會相應(yīng)地向上或向下移動。單個代碼的INL是任意給定點上增益誤差和偏置誤差的和。校準之后，一旦增益和偏置誤差降至最低，那么轉(zhuǎn)換函數(shù)會是兩個端點之間的一條線。
圖3. INL誤差轉(zhuǎn)換函數(shù)。
校準程序
用戶可以建立校準程序，利用增益和偏置校正來降低DAC的非線性。以下步驟詳細說明了示例校準程序的每個步驟。
對于N位DAC：
● 增益校正(GC)：
在最低和最高二進制值時，DAC的線性度會降低。因此，建議在外部二進制值或EC表推薦的校準點之間的5%至10%范圍內(nèi)選擇校準點。進行以下計算時，我們假設(shè)選擇5%的校準點。
○ 將DAC輸入設(shè)置為高于最低二進制值5%。計算預期的電壓輸出并將其記錄為IDEAL1。測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS1。
○ 將DAC輸入設(shè)置為低于最高二進制值5 %。計算并記錄IDEAL2。測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS2。
○ 
○ 
● 偏置校正(OC)：
所需的零偏置點因應(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來獲得準確的接地參考點。有些用戶喜歡使用操作范圍的中間值來盡量減少總體INL誤差。
○ 對電壓-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并將其記錄為IDEAL3。使用更新后的電壓-代碼公式計算代碼。編程設(shè)置計算得出的代碼，然后測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS3。
○ 
○ 
示例1
以MAX32007為例，它是一個八通道DCL，集成了電平設(shè)置DAC和PMU開關(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沒有內(nèi)部校準寄存器。校準DAC時，請遵循以下步驟：
○ 按照評估套件數(shù)據(jù)手冊中的說明，啟動MAX32007評估(EV)套件。
○ 將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。
○ 通過50 Ω端接裝置，將SMB連接器NDATA0A和TRM0A接地。
○ 使用USB電纜，將評估套件連接至Windows? 10 PC。打開MAX32007評估套件軟件(GUI)。
○ 
采用圖4所示的DAC電壓電平和驅(qū)動器設(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，零偏置點值為1.5 V。
圖4. 使用評估板軟件設(shè)置MAX32007的DAC電平。
○ 施加VDH = –1.5 V，然后測量輸出電壓值。
○ 施加VDH = 4.5 V，然后測量輸出電壓值。
○ 增益校正 = 測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。
要應(yīng)用增益校正，打開菜單 → 選項 → 校準，如圖5所示。
圖5. MAX32007 DAC的校準菜單。
圖6. 帶校準寄存器的DAC的INL誤差校正。
○ 施加VDH = 1.5 V（包含增益校正代碼），然后測量輸出電壓值。
○ 偏置校正 = 測量輸出值–理想值。例如，(1.502–1.5) = 0.002。
○ 在執(zhí)行增益和偏置校正之后，
示例2
以 MAX9979為例，它是一個八通道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)部校準寄存器。在示例1中，調(diào)節(jié)了DAC輸出代碼，以盡量減少INL誤差。在示例2中，DAC輸入代碼保持不變，校準寄存器調(diào)整輸出級緩沖器以盡量減少INL誤差，如圖6所示。要校準DAC，請遵循以下步驟：
○ 按照評估套件數(shù)據(jù)手冊中的說明，啟動 MAX9979評估套件。
○ 將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。
○ 通過50 Ω端接裝置，將SMB連接器NDATA0A和TRM0A接地。
○ 使用USB電纜，將評估套件連接至Windows 10 PC。打開MAX9979評估套件軟件(GUI)。
○ 
○ 采用圖7所示的DAC電壓電平和驅(qū)動器設(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，零偏置點值為1.5 V。
圖7. 使用評估板軟件設(shè)置MAX9979的DAC電平。
○ 施加VDH = -1.45 V，然后測量輸出電壓值。
○ 施加VDH = 6.5 V，然后測量輸出電壓值。
○ 增益校正 = 測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。
○ 進行增益校正后，
注意，要執(zhí)行增益和偏置校正，請轉(zhuǎn)至菜單 → 選項 → 更改 → 校準，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MAX9979數(shù)據(jù)手冊。
圖8. MAX9979的校準寄存器設(shè)置
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