数模转换器的开环校准技术

作者：Ken Kavanagh

原则上，您向DAC提供数字输入，并提供精确的输出电压。实际上，输出电压的精度受DAC和信号链中其他元件的增益和失调误差的影响。系统设计人员必须补偿这些误差，以获得精确的输出电压。这可以通过外部组件和制造后修整来实现。数字校准修改发送到DAC的输入，从而考虑增益和失调误差，从而消除了对外部元件和微调的需求。

开环系统的校准

开环系统没有反馈路径，因此设计人员可以相信输出电压处于正确的值。高精度通常需要具有14至16位分辨率的精密DAC。积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）的数据手册规格不包括增益和失调误差。这些误差因设备而异，必须先测量，然后才能删除。这通常作为工厂校准的一部分完成。

图1显示了理想DAC与实际DAC的传递函数。在本例中，当预期输出为0 V时，失调误差会导致输出电压为负，增益误差产生的跨度大于预期范围。

图1.DAC 传递函数

传递函数可以建模为由 y = mx +c 描述的直线。

其中：

y 是输出
m 是传递函数的斜率
x 是 DAC 的输入
c 是失调电压

理想DAC的增益（m）为1，失调（c）为0，输出以完美的线性方式跟踪输入。实际DAC具有非理想的增益和失调值，一旦已知即可进行补偿。

以标称输出范围为16 V至0 V的10位DAC为例。当数字输入设置为0时，测量–30 mV输出。当数字输入设置为65，535（满量程）时，将测量10.02 V输出。

由此，我们可以确定：

失调误差为 –30 mV
量程误差为 20 mV – （–30 mV） = 50 mV，实际量程为 10.05V
增益为 10.05 V/10 V = 1.005

补偿增益误差

为了补偿增益误差，DAC的数字输入必须乘以增益误差的倒数：

x 1 = x × （10 V/10.05 V）

其中 x 是所需的输入，x1 是加载到 DAC 的值。输入为 0 和 65，535 将产生 10.05V 跨度，而 0 和 65，209 的输入将产生所需的 10V 跨度。

补偿失调误差

失调误差导致DAC在数字输入为0时产生0 V以外的输出电压。失调误差可以通过在DAC输入中添加或减去一个等效数字来测量和消除。

在本例中，DAC有65，536个可能的代码，输出范围为10.05V。这意味着每 1 LSB（最低有效位）步长为

10.05 V/65536 = 153.35 μV。

在本例中，–30 mV失调相当于（30 mV/153.35 μV）= 196 LSB。因此，写入DAC的值196将产生0 V的输出电压。

将一切整合在一起

补偿增益和失调误差可产生精确的电压。下面的公式显示了如何计算正确的DAC输入以产生所需的电压。

实际DAC输入 = （10 V/10.05 V） × 理想 DAC 输入 + 196

替代选项

在DSP或微处理器中执行这些计算需要额外的开销，这可能既昂贵又耗时。一些DAC包括片内寄存器，允许在DAC中进行计算，从而释放处理器来执行其他功能。AD536x、AD537x、AD538x和AD539x系列密集DAC ™多通道DAC具有8至40个通道，分辨率为12至16位。单电源版本可产生 5V 输出。双电源版本可产生 ±10V 输出。每个器件的每个通道都有专用的m和c寄存器，允许每个通道的增益和失调校准。

图2显示了AD5370 16位、40通道DAC的一个通道。计算 m 和 c 寄存器的值的过程如下所述：

通过将DAC输入设置为零和满量程来测量失调和满量程误差。
通过将范围除以可能的代码数（在本例中为 65536）来计算实际 LSB 大小
从默认的 m 寄存器值中减去与超额跨度对应的 LSB 数。例如，50 V范围内10 mV的超量范围相当于326 LSB
将与偏移量对应的LSB数量添加到默认c寄存器值。例如，–10 mV的失调为65 LSB
现在可以将DAC视为理想值，并计算适当的值以补偿内部和系统误差。

图2.AD5370 DAC的单通道