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浅论软件校正降低偏移与增益误差
 

【作者: Ken Kavanagh】2006年11月03日 星期五

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D/A数字模拟转换器的动作原理非常简单—即:给定数字输入,它就提供准确的输出电压。但实际上,输出电压的准确性是视一些因素而定,包括在信号链中来自D/A转换器以及来自其他组件的增益和偏移误差。系统设计师必须补偿这些误差,以便得到最高的输出准确性。有一种解决方案是外加一些组件,透过后段制造调整将误差移除。有些D/A转换器具有内部的调整缓存器,允许用户校正出存在于系统中的误差,这样,传至D/A转换器的数字码就会产生正确的输出电压。本篇设计指南将会解释运用一种软件解决方案而非硬件方案来降低系统误差的必要步骤。


在所有D/A转换器上,偏移误差和增益误差是两个常见的误差机制。当运用到最小的程序代码时,偏移误差是从预期的最小电压的变异所产生。举例来说,对一颗单极D/A转换器而言,0x0000的码应该提供最小的输出电压。当D/A有可能经过工厂校正而有一固有的低偏移时,在信号链中的放大器及其他组件将会增加整体的偏移值。在信号链中的整体偏移称为系统偏移。透过下文介绍的芯片内建缓存器,就可以移除系统偏移。


理想上,当偏移误差被移除时,增益误差是转换函数斜率的偏差。以一颗D/A转换器为例,它可能需要在0V电压启动,在5V电压终止,但实际的转换函数可能在5mV启动,在5.015mV终止。在本例中,增益误差为10 mV。(图一)显示这些误差。


《图一 偏移误差与增益误差》
《图一 偏移误差与增益误差》

(图二)显示包含了具16信道、14位D/A转换器,其中一个信道与一个放大器的简单信号链。如图标,包括调整缓存器。在信号链的最终输出电压受到应用于D/A的数字码以及D/A和放大器的增益与偏移误差所决定。D/A的c和m缓存器可被用来减少这些失误。这些缓存器在此一基础上工作,可以用公式y=mx+c描述一条直线。当运用在D/A转换器的转换函数使用这个做法,可以看出D/A的输出电压(y)并不只是与数字输入码(x)有关,也受到m和c值的影响。假设m和c缓存器经过编程,以致它们消除系统增益和偏移误差,则系统输出电压将变得更加准确。



《图二 AD5390》
《图二 AD5390》

AD5390的转换函数在技术手册中给定如下:


《公式一 》
《公式一 》

假设m和c的默认值被用到,则被加载至DAC缓存器的值(x2)将与输入值(x1)相同,例如,针对偏移和增益误差并无调整。下一段将描述m和c缓存器如何被用来降低系统的增益与偏移误差。


移除系统偏移误差

在开始调整c缓存器之前,必须了解在该缓存器中每个位变化的情形。给定的的输出范围为2 × VREF。因此,对于2.5V参考电压,输出电压为5V。由于有14位D/A有16384内码阶, 每一阶的电压变化为5/16384 = 305.175 ?V。 这就是1 LSB。 对c缓存器使用正确值,将会降低低于这个值的偏移误差。


为量测出系统偏移必须将D/A信道设定最小的电压。接着系统输出电压被量测出,且与预定的输出电压做比较。两者之间的差异就是偏移误差。


假设系统在+5 mV量测出偏移,然后需要


《公式二》
《公式二》

这意指未尽可能地降低+5 mV偏移跟需要用8192 – 16 = 8176来编程c缓存器。当偏移并不完全被消除掉时,就是已经被降低成5 mV ? (16 × 305.175 ?V) = 117.2 ?V


移除增益误差

随着系统偏移误差被降低,现在可以校正出系统的增益误差。如先前所提,增益误差是理想的转换函数斜率的偏差。由于转换函数是一条直线,最坏情况下偏离理想图形会落在转换函数的顶端,例如,最高电压。将该电压移到最靠近理想值处,在确保系统提供最准确的输出电压给任何给定的D/A内码上,将会有所作用。


为计算出m缓存器所需要的值,用户应该要写0x03FFF给提供最高输出电压的D/A信道。在理想世界中,这会是+5V – 1LSB = 4.999695 V。假设,在我们的范例中,系统输出电压测量为5.0067 V,然后我们就有一个约7 mV的增益误差。如先前一样,使用相同的LSB,我们发现m缓存器需要用以下公式来降低:


《公式三》
《公式三》

因此设定m 缓存器为 (16382 – 20) = 16362 将会降低增益误差在1 LSB范围内。


典型范例

如上述的校正例行程序, 其作业的方式可以如一次完成的工厂校正的一部份,这些地方m和c缓存器的值可被储存在一颗EEPROM以及被加载成系统启动程序的一部份,或者系统也可以被设计来定期地量测输出电压,并随需要调整m和c缓存器。针对后者,通常会用到一颗高质量的A/D转换器。每个D/A信道的输出会依序被连接到A/D输入,且电压经过校正。这可以用一颗多任务器来做到。内建多任务器/监控器功能,让设计者的工作更加容易,减少外部组件数。16个电压输出的任何一个都可以由内部切换,所以它们显现出单一输出脚位被连接到用来量测A/D转换器。这样将会让设计者把D/A转换器中的误差移除。为移除系统误差,必须有输入脚位与多任务器相连并允许外部电压以相同方法被监测。(图三)显示典型的应用实例。



《图三 应用实例》
《图三 应用实例》

P-Si的直线偏亮度异方特性

应用实例


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