在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中校準(zhǔn)增益誤差的方法

摘要：所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都需要一個(gè)電壓基準(zhǔn)。高精度系統(tǒng)受到各種誤差源的影響，其中最重要的是系統(tǒng)增益誤差。增益誤差可以用幾種方法進(jìn)行修正，常用方法是數(shù)字校準(zhǔn)，但會(huì)引入誤差，可以通過(guò)提高分辨率進(jìn)行補(bǔ)償。校準(zhǔn)也可以采用另一個(gè)不會(huì)引入誤差的方法：微調(diào)電壓基準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記介紹了如何用一個(gè)數(shù)字電位器微調(diào)電壓基準(zhǔn)。

增益誤差問(wèn)題

培訓(xùn)中經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，在什么樣的分辨率下使用分立電壓基準(zhǔn)? 初學(xué)者通常建議10位至12位轉(zhuǎn)換器采用外部基準(zhǔn)。聽(tīng)起來(lái)似乎正確，但問(wèn)題本身存在一定假象，正確的回答應(yīng)當(dāng)是分辨率與精度是兩個(gè)概念。一般意義上，大家很容易理解：高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的精度高于低分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。但這一答案并不完善，利用低分辨率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)在配合使用精密的電壓基準(zhǔn)、校準(zhǔn)，或者二者兼用的情況下仍然可以獲得高精度。

影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度的因素有很多，其中最重要的是增益誤差。對(duì)于DAC，增益誤差定義為不考慮失調(diào)誤差時(shí)最大碼值處的實(shí)際結(jié)果與理想值的偏差，如圖1所示。ADC的定義類(lèi)似。

圖1. 增益和失調(diào)誤差

數(shù)字校準(zhǔn)增益誤差

增益誤差是由模擬信號(hào)鏈路的非理想增益和電壓基準(zhǔn)的誤差造成的。這個(gè)誤差可以通過(guò)數(shù)字化方式進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，數(shù)字校準(zhǔn)要求系統(tǒng)使用高分辨率轉(zhuǎn)換器，這會(huì)增加系統(tǒng)成本。

以下示例解釋了這種數(shù)字校準(zhǔn)方法。系統(tǒng)采用理想的DAC和非理想模擬輸出放大器建模(圖2)。簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)DAC分辨率只有4位。

圖2. 數(shù)字增益校準(zhǔn)系統(tǒng)

首先考慮理想狀態(tài)下系統(tǒng)增益誤差為零，AV = 1。當(dāng)DAC輸入碼增大時(shí)，輸出電壓相應(yīng)于2.5V (VREF = 2.5V)開(kāi)始增加。雖然該示例有些極端，但為了使?fàn)顟B(tài)更真實(shí)，假設(shè)增益AV達(dá)到1.1 (增益誤差 = 10%)。如果繼續(xù)增大輸出電壓，碼值將保持在15，此時(shí)的VOUT = 2.75V。我們可以通過(guò)查找表或在數(shù)字域采取某種算法修改DAC碼值，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校準(zhǔn)。為了將1.1倍增益校準(zhǔn)到1.0倍增益，需要乘以：1/1.1 = 0.909 (圖3)。圖中給出了理想的未校準(zhǔn)和已校準(zhǔn)系統(tǒng)的特性曲線(xiàn)。

圖3. 數(shù)字化校準(zhǔn)DAC系統(tǒng)

圖3顯示了一個(gè)理想DAC的特性和一個(gè)未經(jīng)校準(zhǔn)、增益誤差為+10%的系統(tǒng)特性。通過(guò)調(diào)整DAC碼值，可以修正+10%的增益誤差。但是，從校準(zhǔn)碼和微分非線(xiàn)性可以很容易發(fā)現(xiàn)這種方法存在的一個(gè)問(wèn)題。開(kāi)始時(shí)，DAC碼值正常遞增，具有一個(gè)固定的正DNL。INL逐漸增大直到達(dá)到0.5 LSB INL，此時(shí)在輸入碼值從5增加到6時(shí)校準(zhǔn)碼沒(méi)有遞增。通過(guò)進(jìn)一步觀察可以看出，無(wú)論是否采取校準(zhǔn)，INL將一直增大到0.5 LSB，直到INL被修正到1 LSB為止。DNL在某些點(diǎn)達(dá)到了±1 LSB。為了解決上述問(wèn)題必須提高DAC的分辨率。

這種情況下數(shù)字校準(zhǔn)增益誤差非常有效，事實(shí)上，Maxim的幾款器件也都采用了這項(xiàng)技術(shù)，包括MAX5774。MAX5774是32通道、16位DAC，電路比較復(fù)雜。該產(chǎn)品系列包括乘法器和加法器，可以校準(zhǔn)增益和失調(diào)誤差。

用這種數(shù)字方法進(jìn)行校準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)是：校準(zhǔn)可以很容易地利用ATE實(shí)現(xiàn)。但是，有些情況下這也是缺點(diǎn)，因?yàn)樾枰�使用ATE。查找表或校準(zhǔn)系數(shù)的構(gòu)建和編程可以通過(guò)手動(dòng)方式完成，但在實(shí)際生產(chǎn)中非常耗時(shí)而且價(jià)值不大。

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