干貨 | ATE引腳電子器件的電平設置DAC校準

作者：Minhaaz Shaik，產(chǎn)品應用工程師

摘要

【資料圖】

本文提供一種校準數(shù)模轉換器(DAC)的方法，專用于引腳電子器件驅動器、比較器、負載、PMU和DPS。DAC具有差分非線性(DNL)和積分非線性(INL)等非線性特性，我們可以通過增益和偏置調整來盡可能降低這些特性。本文描述如何執(zhí)行這些校準，以改善電平設置性能。

簡介

自動化測試設備(ATE)描述用于一次對單個或多個器件執(zhí)行單次或一系列測試的測試儀器。不同類型的ATE測試電子器件、硬件和半導體器件。定時器件、DAC、ADC、多路復用器、繼電器和開關都是測試儀或ATE系統(tǒng)中的支持模塊。這些引腳電子器件可以利用精確的電壓和電流提供信號和電源。這些精密信號通過電平設置DAC進行配置。在ATE產(chǎn)品系列中，有些引腳電子器件包含校準寄存器，有些校準設置存儲在片外。本文介紹DAC的功能、誤差，以及如何通過增益和偏置調整進行校準。

數(shù)模轉換器(DAC)

DAC是一種數(shù)據(jù)轉換器，用于將數(shù)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。位數(shù)越高，DAC輸出分辨率越高。

圖1.數(shù)模轉換器(DAC)框圖。

首先，N位數(shù)字輸入提供給DAC串行寄存器。電壓開關和電阻求和網(wǎng)絡將數(shù)字輸入轉換為模擬輸出電平。DAC圖的轉換特性如圖2所示。對于3位DAC，2³個數(shù)字輸入生成8個模擬輸出電平。

圖2.3位DAC的理想轉換函數(shù)。

DAC誤差

在現(xiàn)實世界中，轉換器并不理想。由于電阻值、插值和采樣的誤差，DAC的轉換函數(shù)并不是一條直線，或是線性的。這些誤差被稱為差分非線性(DNL)和積分非線性(INL)。DNL是輸出電平與理想步長之間的最大偏差，它由兩個連續(xù)輸出電壓電平之間的差值得出。INL是輸入/輸出特性與理想轉換函數(shù)之間的最大偏差。通過增益和偏置校正，可以減小INL誤差。

圖3中的INL顯示了實際轉換函數(shù)與理想轉換函數(shù)之間的偏差。DAC的增益誤差表示實際轉換函數(shù)的線性近似斜率與理想轉換函數(shù)斜率的匹配程度。在繪圖時，調整增益會影響線性近似角度。偏置誤差是測量值與所選的零偏置點之間的差值。如果調整偏置量，整個線性近似曲線會相應地向上或向下移動。單個代碼的INL是任意給定點上增益誤差和偏置誤差的和。校準之后，一旦增益和偏置誤差降至最低，那么轉換函數(shù)會是兩個端點之間的一條線。

圖3.INL誤差轉換函數(shù)。

校準程序

用戶可以建立校準程序，利用增益和偏置校正來降低DAC的非線性。以下步驟詳細說明了示例校準程序的每個步驟。

對于N位DAC：

最大代碼(MC) = (2^N– 1)

電壓范圍(V_RANGE)

= 最大DAC輸出電壓(V_MAX)

– 最小DAC輸出電壓(V_MIN) = 4 × V_REF

DAC輸入代碼（未校準）

?增益校正(GC)：

在最低和最高二進制值時，DAC的線性度會降低。因此，建議在外部二進制值或EC表推薦的校準點之間的5%至10%范圍內選擇校準點。進行以下計算時，我們假設選擇5%的校準點。

●?將DAC輸入設置為高于最低二進制值5%。計算預期的電壓輸出并將其記錄為IDEAL1。測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS1。

●?將DAC輸入設置為低于最高二進制值5%。計算并記錄IDEAL2。測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS2。

●?DAC輸入代碼（進行增益校正）

?偏置校正(OC)：

所需的零偏置點因應用而異。用戶應該根據(jù)自己的應用定義最佳值。有些用戶可能喜歡使用0V來獲得準確的接地參考點。有些用戶喜歡使用操作范圍的中間值來盡量減少總體INL誤差。

● 對電壓-代碼公式的斜率應用DAC增益校正，以確立單位增益。

●?選擇所需的零偏置電壓點并將其記錄為IDEAL3。使用更新后的電壓-代碼公式計算代碼。編程設置計算得出的代碼，然后測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS3。

●?OC = MEAS3 – IDEAL3

●?DAC輸入代碼（進行增益和偏置校正）

示例1

以MAX32007為例，它是一個八通道DCL，集成了電平設置DAC和PMU開關。MAX32007具有內部DAC，用于設置VDH、VDL、VDT/VCOM、VCH、VCL、VCPH和VCPL的電平。這些DAC沒有內部校準寄存器。校準DAC時，請遵循以下步驟：

?按照評估套件數(shù)據(jù)手冊中的說明，啟動MAX32007評估(EV)套件。

?將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。

?通過50 Ω端接裝置，將SMB連接器NDATA0A和TRM0A接地。

?使用USB電纜，將評估套件連接至Windows^?10 PC。打開MAX32007評估套件軟件(GUI)。

?VDH DAC分辨率= N = 14

最大代碼= (MC) = 2^N– 1 = 16383

電壓范圍(V_RANGE)

= 最大DAC輸出電壓(V_MAX)

– 最小DAC輸出電壓(V_MIN) = 7.5 – (–2.5) = 10

VDH DAC輸入代碼（未校準）

采用圖4所示的DAC電壓電平和驅動器設置。注意，最低VDH DAC工作電壓值為–1.5 V，最高工作電壓值為4.5 V；在本例中，零偏置點值為1.5 V。

圖4.使用評估板軟件設置MAX32007的DAC電平。

?施加VDH = –1.5 V，然后測量輸出電壓值。

?施加VDH = 4.5 V，然后測量輸出電壓值。

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

?進行增益校正后，

VDH DAC輸入代碼（進行增益校正）

要應用增益校正，打開菜單→ 選項→ 校準，如圖5所示。

圖5.MAX32007 DAC的校準菜單。

?施加VDH = 1.5 V（包含增益校正代碼），然后測量輸出電壓值。

?偏置校正 = 測量輸出值–理想值。例如，(1.502–1.5) = 0.002。

?在執(zhí)行增益和偏置校正之后，

VDH DAC輸入代碼（進行增益和偏置校正）

示例2

以MAX9979為例，它是一個八通道DCL，集成了電平設置DAC和PMU。MAX9979包含內部DAC，用于設置VDH、VDL、VDT、VCH、VCL、VCPH、VCPL、VCOM、VLDH、VLDL、VIN、VIOS、CLAMPHI/VHH和CLAMPLO的電平。這些DAC具有內部校準寄存器。在示例1中，調節(jié)了DAC輸出代碼，以盡量減少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盡量減少INL誤差，如圖6所示。要校準DAC，請遵循以下步驟：

?按照評估套件數(shù)據(jù)手冊中的說明，啟動MAX9979評估套件。

?將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。

?通過50 Ω端接裝置，將SMB連接器NDATA0A和TRM0A接地。

?使用USB電纜，將評估套件連接至Windows 10 PC。打開MAX9979評估套件軟件(GUI)。

?VDH DAC分辨率= N = 16

最大代碼= (MC) = 2¹⁶– 1 = 65535

電壓范圍(V_RANGE)

= 最大DAC輸出電壓(V_MAX)

– 最小DAC輸出電壓(V_MIN) = 7.5 – (–2.5) = 10

VDH DAC輸入代碼（未進行增益校正）

?采用圖7所示的DAC電壓電平和驅動器設置。注意，VDH DAC的最低建議值為–1.5 V，最高建議值為4.5 V，零偏置點值為1.5 V。

圖6.帶校準寄存器的DAC的INL誤差校正。

圖7.使用評估板軟件設置MAX9979的DAC電平。

?施加VDH = -1.45 V，然后測量輸出電壓值。

?施加VDH = 6.5 V，然后測量輸出電壓值。

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

?進行增益校正后，

VDH DAC輸入代碼（進行增益校正）

?施加VDH = 1.5 V（包含增益校正代碼），然后測量輸出電壓值。

?偏置校正 = 測量輸出值–理想值。例如，(1.502–1.5) = 0.002。

?在執(zhí)行增益和偏置校正之后，

VDH DAC輸入代碼（進行增益和偏置校正）

注意，要執(zhí)行增益和偏置校正，請轉至菜單→ 選項→ 更改→ 校準，如圖8所示。有關將增益和偏置校正轉換為增益和偏置代碼的更多信息，參見MAX9979數(shù)據(jù)手冊。

圖8.MAX9979的校準寄存器設置。

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Minhaaz Shaik是ADI公司的一名技術人員，在模擬和混合信號領域作為應用/系統(tǒng)工程師，擁有超過5年的工作經(jīng)驗。Minhaaz主要負責自動化測試設備(ATE)引腳電子器件、ADC、DAC，以及電源監(jiān)控器和接口IC等產(chǎn)品系列。她精通電子系統(tǒng)設計、實驗室評估、自動化、客戶支持和技術寫作，并且深入了解SPICE仿真和電路設計。聯(lián)系方式：minhaaz.shaik@analog.com。

關鍵詞： 輸出電壓 電子器件 數(shù)字輸入 數(shù)據(jù)手冊 模擬輸出