數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開環(huán)校準(zhǔn)技術(shù)

原則上，您向DAC提供數(shù)字輸入，并提供精確的輸出電壓。實(shí)際上，輸出電壓的精度受DAC和信號鏈中其他元件的增益和失調(diào)誤差的影響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須補(bǔ)償這些誤差，以獲得精確的輸出電壓。這可以通過外部組件和制造后修整來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字校準(zhǔn)修改發(fā)送到DAC的輸入，從而考慮增益和失調(diào)誤差，從而消除了對外部元件和微調(diào)的需求。

開環(huán)系統(tǒng)的校準(zhǔn)

開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋路徑，因此設(shè)計(jì)人員可以相信輸出電壓處于正確的值。高精度通常需要具有14至16位分辨率的精密DAC。積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）的數(shù)據(jù)手冊規(guī)格不包括增益和失調(diào)誤差。這些誤差因設(shè)備而異，必須先測量，然后才能刪除。這通常作為工廠校準(zhǔn)的一部分完成。

圖1顯示了理想DAC與實(shí)際DAC的傳遞函數(shù)。在本例中，當(dāng)預(yù)期輸出為0 V時(shí)，失調(diào)誤差會導(dǎo)致輸出電壓為負(fù)，增益誤差產(chǎn)生的跨度大于預(yù)期范圍。

圖1.DAC 傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)可以建模為由 y = mx +c 描述的直線。

其中：

y 是輸出

m 是傳遞函數(shù)的斜率

x 是 DAC 的輸入

c 是失調(diào)電壓

理想DAC的增益（m）為1，失調(diào)（c）為0，輸出以完美的線性方式跟蹤輸入。實(shí)際DAC具有非理想的增益和失調(diào)值，一旦已知即可進(jìn)行補(bǔ)償。

以標(biāo)稱輸出范圍為16 V至0 V的10位DAC為例。當(dāng)數(shù)字輸入設(shè)置為0時(shí)，測量–30 mV輸出。當(dāng)數(shù)字輸入設(shè)置為65，535（滿量程）時(shí)，將測量10.02 V輸出。

由此，我們可以確定：

失調(diào)誤差為 –30 mV

量程誤差為 20 mV – （–30 mV） = 50 mV，實(shí)際量程為 10.05V

增益為 10.05 V/10 V = 1.005

補(bǔ)償增益誤差

為了補(bǔ)償增益誤差，DAC的數(shù)字輸入必須乘以增益誤差的倒數(shù)：

x 1 = x × （10 V/10.05 V）

其中 x 是所需的輸入，x1 是加載到 DAC 的值。輸入為 0 和 65，535 將產(chǎn)生 10.05V 跨度，而 0 和 65，209 的輸入將產(chǎn)生所需的 10V 跨度。

補(bǔ)償失調(diào)誤差

失調(diào)誤差導(dǎo)致DAC在數(shù)字輸入為0時(shí)產(chǎn)生0 V以外的輸出電壓。失調(diào)誤差可以通過在DAC輸入中添加或減去一個等效數(shù)字來測量和消除。

在本例中，DAC有65，536個可能的代碼，輸出范圍為10.05V。這意味著每 1 LSB（最低有效位）步長為

10.05 V/65536 = 153.35 μV。

在本例中，–30 mV失調(diào)相當(dāng)于（30 mV/153.35 μV）= 196 LSB。因此，寫入DAC的值196將產(chǎn)生0 V的輸出電壓。

將一切整合在一起

補(bǔ)償增益和失調(diào)誤差可產(chǎn)生精確的電壓。下面的公式顯示了如何計(jì)算正確的DAC輸入以產(chǎn)生所需的電壓。

實(shí)際DAC輸入 = （10 V/10.05 V） × 理想 DAC 輸入 + 196

替代選項(xiàng)

在DSP或微處理器中執(zhí)行這些計(jì)算需要額外的開銷，這可能既昂貴又耗時(shí)。一些DAC包括片內(nèi)寄存器，允許在DAC中進(jìn)行計(jì)算，從而釋放處理器來執(zhí)行其他功能。AD536x、AD537x、AD538x和AD539x系列密集DAC ?多通道DAC具有8至40個通道，分辨率為12至16位。單電源版本可產(chǎn)生 5V 輸出。雙電源版本可產(chǎn)生 ±10V 輸出。每個器件的每個通道都有專用的m和c寄存器，允許每個通道的增益和失調(diào)校準(zhǔn)。

圖2顯示了AD5370 16位、40通道DAC的一個通道。計(jì)算 m 和 c 寄存器的值的過程如下所述：

通過將DAC輸入設(shè)置為零和滿量程來測量失調(diào)和滿量程誤差。

通過將范圍除以可能的代碼數(shù)（在本例中為 65536）來計(jì)算實(shí)際 LSB 大小

從默認(rèn)的 m 寄存器值中減去與超額跨度對應(yīng)的 LSB 數(shù)。例如，50 V范圍內(nèi)10 mV的超量范圍相當(dāng)于326 LSB

將與偏移量對應(yīng)的LSB數(shù)量添加到默認(rèn)c寄存器值。例如，–10 mV的失調(diào)為65 LSB

現(xiàn)在可以將DAC視為理想值，并計(jì)算適當(dāng)?shù)闹狄匝a(bǔ)償內(nèi)部和系統(tǒng)誤差。

圖2.AD5370 DAC的單通道

審核編輯：郭婷