自動化測試設(shè)備 (ATE) 描述了設(shè)計(jì)用于一次對一個或多個設(shè)備執(zhí)行單個或一系列測試的測試設(shè)備。不同類型的 ATE 測試電子設(shè)備、硬件和半導(dǎo)體設(shè)備。時序設(shè)備、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、多路復(fù)用器、繼電器和開關(guān)是測試儀或 ATE 系統(tǒng)中的支持模塊。這些針腳電子器件可以以精確的電壓和電流傳遞信號和功率。這些精密信號由電平設(shè)置 DAC 配置。在 ATE 產(chǎn)品組合中，一些引腳電子器件具有校準(zhǔn)寄存器，一些校準(zhǔn)設(shè)置存儲在片外。

DAC 具有非線性特性，例如微分非線性 (DNL) 和積分非線性 (INL)，可以通過使用增益和偏移調(diào)整將其最小化。本文介紹了 DAC 的功能、誤差以及通過增益和偏移調(diào)整進(jìn)行的校準(zhǔn)。

DAC 是如何工作的?

DAC 是一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可將數(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 2 n 個輸出電平。更高的位數(shù)對應(yīng)更高的 DAC 輸出分辨率。

圖 1：DAC 框圖(來源：Analog Devices)

首先，將 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 圖的傳輸特性如圖 2 所示。對于 3 位 DAC，2 3數(shù)字輸入產(chǎn)生八個模擬輸出電平。

圖 2：3 位 DAC 的理想傳遞函數(shù)(來源：Analog Devices)

DAC 錯誤

在現(xiàn)實(shí)世界中，轉(zhuǎn)換器并不理想。由于電阻值、插值和采樣的變化，DAC 傳遞函數(shù)將不是一條直線，也不是線性的。這些錯誤稱為 DNL 和 INL。DNL 是輸出電平與理想步長的最大偏差。它源自兩個連續(xù)輸出電壓電平之間的差異。INL 是輸入/輸出特性與理想傳遞函數(shù)的最大偏差。通過增益和偏移校正，可以減少 INL 誤差。

圖 3 中的 INL 顯示了實(shí)際傳遞函數(shù)和理想傳遞函數(shù)之間的偏差。DAC 的增益誤差表示實(shí)際傳遞函數(shù)的線性近似的斜率與理想傳遞函數(shù)的斜率的匹配程度。調(diào)整增益會影響線性逼近的角度。偏移誤差是測量值與選擇的所需零偏移點(diǎn)之間的差異。調(diào)整偏移量將相應(yīng)地向上或向下移動整個線性近似。單個代碼的 INL 是任何給定點(diǎn)的增益誤差和偏移誤差之和。校準(zhǔn)后，一旦增益和偏移誤差最小化，傳遞函數(shù)可以是端點(diǎn)之間的一條線。

圖 3：INL 誤差傳遞函數(shù)(來源：Analog Devices)

校準(zhǔn)程序

用戶可以建立校準(zhǔn)例程，以使用增益和偏移校正來減少 DAC 非線性。以下過程解釋了示例校準(zhǔn)例程的逐步過程。

對于 N 位 DAC：

增益校正 (GC)：

DAC 在最低和最高二進(jìn)制值下往往變得不那么線性。因此，建議在外部二進(jìn)制值或 EC 表推薦的校準(zhǔn)點(diǎn)之間選擇 5% 到 10% 之間的校準(zhǔn)點(diǎn)。對于以下計(jì)算，我們假設(shè) 5% 的校準(zhǔn)點(diǎn)。

將 DAC 輸入設(shè)置為比最低二進(jìn)制值高 5%。計(jì)算預(yù)期電壓輸出，記為IDEAL1。測量輸出電壓并記為MEAS1。

將 DAC 輸入設(shè)置為低于最高二進(jìn)制值的 5%。計(jì)算并記錄IDEAL2。測量輸出電壓并記錄為 MEAS2。

偏移校正 (OC)：

所需的零偏移點(diǎn)因應(yīng)用而異。用戶應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用定義最佳值。一些用戶可能更喜歡使用 0 V 來獲得準(zhǔn)確的接地參考點(diǎn)。一些用戶更喜歡使用其工作范圍的中點(diǎn)來最小化整體 INL 誤差。

將 DAC 的增益校正應(yīng)用于電壓編碼方程的斜率，以建立單位增益。

選擇所需的零偏移電壓點(diǎn)并將其記錄為 IDEAL3。使用您更新的電壓代碼方程計(jì)算代碼。對計(jì)算出的代碼進(jìn)行編程，然后測量輸出電壓并將其記錄為 MEAS3。

示例 1

以MAX32007 為例，它是一款帶有集成電平設(shè)置 DAC 和 PMU 開關(guān)的八通道 DCL。MAX32007具有用于電平設(shè)置VDH、VDL、VDT/VCOM、VCH、VCL、VCPH和VCPL的內(nèi)部DAC。這些 DAC 沒有內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器。要校準(zhǔn) DAC，請遵循以下程序：

按照評估板數(shù)據(jù)表中的說明為 MAX32007 評估 (EV) 套件上電。

將 SMB 連接器 DATA0A 和 NTRM0A 連接到 1.2 V。

通過 50-Ω 端接器將 SMB 連接器 NDATA0A 和 TRM0A 接地。

通過 USB 電纜將評估板連接到 Windows 10 PC。打開 MAX32007 評估板軟件 (GUI)。

應(yīng)用 DAC 電壓電平和驅(qū)動器設(shè)置，如圖 4 所示。請注意，最低工作 VDH DAC 值為 –1.5 V，最高工作值為 4.5 V;在這種情況下，零偏移點(diǎn)值為 1.5 V。

圖 4：使用評估板軟件對 MAX32007 進(jìn)行 DAC 級設(shè)置(來源：Analog Devices)

施加 VDH = –1.5 V 并測量輸出電壓值。

施加 VDH = 4.5 V 并測量輸出電壓值。

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

應(yīng)用增益校正后，

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

圖 5：MAX32007 DAC 的校準(zhǔn)菜單(來源：Analog Devices)

圖 6：帶校準(zhǔn)寄存器的 DAC 的 INL 誤差校正(來源：Analog Devices)

應(yīng)用 VDH = 1.5 V(帶增益校正代碼)并測量輸出電壓值。

偏移校正 = 測量輸出值 – 理想值。例如 (1.502 – 1.5) = 0.002。

應(yīng)用增益和偏移校正后，

示例 2

以MAX9979 為例，它是一款帶有集成電平設(shè)置 DAC 和 PMU 的雙通道 DCL。MAX9979具有用于電平設(shè)置的內(nèi)部DAC VDH、VDL、VDT、VCH、VCL、VCPH、VCPL、VCOM、VLDH、VLDL、VIN、VIOS、CLAMPHI/VHH和CLAMPLO。這些 DAC 具有內(nèi)部校準(zhǔn)寄存器。在示例 1 中，調(diào)整了 DAC 輸入代碼以最小化 INL 誤差。在示例 2 中，DAC 輸入代碼保持不變，校準(zhǔn)寄存器調(diào)整輸出級緩沖器以最小化 INL 誤差，如圖 6 所示。要校準(zhǔn) DAC，請使用以下程序：

按照評估板數(shù)據(jù)表中的說明為MAX9979評估板上電。

將 SMB 連接器 DATA0A 和 NTRM0A 連接到 1.2 V。

通過 50-Ω 端接器將 SMB 連接器 NDATA0A 和 TRM0A 接地。

通過 USB 電纜將評估板連接到 Windows 10 PC。打開 MAX9979 評估板軟件 (GUI)。

應(yīng)用 DAC 電壓電平和驅(qū)動器設(shè)置，如圖 7 所示。請注意，VDH DAC 最低推薦值為 –1.5 V，最高推薦值為 4.5 V，而零偏移點(diǎn)值為 1.5 V。

圖 7：使用評估板軟件對 MAX9979 進(jìn)行 DAC 級設(shè)置(來源：Analog Devices)

施加 VDH = –1.45 V 并測量輸出電壓值。

施加 VDH = 6.5 V 并測量輸出電壓值。

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

應(yīng)用增益校正后，

注意：增益和偏移校正可以在菜單 → 選項(xiàng) → 更改 → 校準(zhǔn)中應(yīng)用，如圖 8 所示。增益和偏移校正到增益和偏移代碼的轉(zhuǎn)換在 MAX9979 數(shù)據(jù)表中給出。

圖 8：MAX9979 的校準(zhǔn)寄存器設(shè)置(來源：Analog Devices)

審核編輯：湯梓紅