自動化測試設備 (ATE) 描述了設計用于一次對一個或多個設備執行單個或一系列測試的測試設備。不同類型的 ATE 測試電子設備、硬件和半導體設備。時序設備、數模轉換器 (DAC)、模數轉換器 (ADC)、多路復用器、繼電器和開關是測試儀或 ATE 系統中的支持模塊。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置 DAC 配置。在 ATE 產品組合中，一些引腳電子器件具有校準寄存器，一些校準設置存儲在片外。

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整進行的校準。

DAC 是如何工作的?

DAC 是一種數據轉換器，可將數字輸入轉換為相應的模擬輸出電平。一個 N 位 DAC 可以支持 2 n 個輸出電平。更高的位數對應更高的 DAC 輸出分辨率。

圖 1：DAC 框圖(來源：Analog Devices)

首先，將 N 位數字輸入提供給 DAC 串行寄存器。電壓開關和電阻求和網絡將數字輸入轉換為模擬輸出電平。DAC 圖的傳輸特性如圖 2 所示。對于 3 位 DAC，2 3數字輸入產生八個模擬輸出電平。

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

DAC 錯誤

在現實世界中，轉換器并不理想。由于電阻值、插值和采樣的變化，DAC 傳遞函數將不是一條直線，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 顯示了實際傳遞函數和理想傳遞函數之間的偏差。DAC 的增益誤差表示實際傳遞函數的線性近似的斜率與理想傳遞函數的斜率的匹配程度。調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之間的差異。調整偏移量將相應地向上或向下移動整個線性近似。單個代碼的 INL 是任何給定點的增益誤差和偏移誤差之和。校準后，一旦增益和偏移誤差最小化，傳遞函數可以是端點之間的一條線。

圖 3：INL 誤差傳遞函數(來源：Analog Devices)

校準程序

用戶可以建立校準例程，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 在最低和最高二進制值下往往變得不那么線性。因此，建議在外部二進制值或 EC 表推薦的校準點之間選擇 5% 到 10% 之間的校準點。對于以下計算，我們假設 5% 的校準點。

將 DAC 輸入設置為比最低二進制值高 5%。計算預期電壓輸出，記為IDEAL1。測量輸出電壓并記為MEAS1。

將 DAC 輸入設置為低于最高二進制值的 5%。計算并記錄IDEAL2。測量輸出電壓并記錄為 MEAS2。

偏移校正 (OC)：

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

將 DAC 的增益校正應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并將其記錄為 IDEAL3。使用您更新的電壓代碼方程計算代碼。對計算出的代碼進行編程，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置 DAC 和 PMU 開關的八通道 DCL。MAX32007具有用于電平設置VDH、VDL、VDT/VCOM、VCH、VCL、VCPH和VCPL的內部DAC。這些 DAC 沒有內部校準寄存器。要校準 DAC，請遵循以下程序：

按照評估板數據表中的說明為 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)。

應用 DAC 電壓電平和驅動器設置，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，零偏移點值為 1.5 V。

圖 4：使用評估板軟件對 MAX32007 進行 DAC 級設置(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

應用增益校正后，

要應用增益校正，請打開菜單 → 選項 → 校準，如圖 5 所示。

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

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

應用 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置 DAC 和 PMU 的雙通道 DCL。MAX9979具有用于電平設置的內部DAC VDH、VDL、VDT、VCH、VCL、VCPH、VCPL、VCOM、VLDH、VLDL、VIN、VIOS、CLAMPHI/VHH和CLAMPLO。這些 DAC 具有內部校準寄存器。在示例 1 中，調整了 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，校準寄存器調整輸出級緩沖器以最小化 INL 誤差，如圖 6 所示。要校準 DAC，請使用以下程序：

按照評估板數據表中的說明為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)。

應用 DAC 電壓電平和驅動器設置，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，而零偏移點值為 1.5 V。

圖 7：使用評估板軟件對 MAX9979 進行 DAC 級設置(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。

應用增益校正后，

注意：增益和偏移校正可以在菜單 → 選項 → 更改 → 校準中應用，如圖 8 所示。增益和偏移校正到增益和偏移代碼的轉換在 MAX9979 數據表中給出。

圖 8：MAX9979 的校準寄存器設置(來源：Analog Devices)

審核編輯：湯梓紅