ATE引腳電子器件的電平設置DAC校準

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

簡(jiǎn)介

自動(dòng)化測試設備(ATE)描述用于一次對單個(gè)或多個(gè)器件執行單次或一系列測試的測試儀器。不同類(lèi)型的ATE測試電子器件、硬件和半導體器件。定時(shí)器件、DAC、ADC、多路復用器、繼電器和開(kāi)關(guān)都是測試儀或ATE系統中的支持模塊。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(guò)電平設置DAC進(jìn)行配置。在A(yíng)TE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(guò)增益和偏置調整進(jìn)行校準。

數模轉換器(DAC)

DAC是一種數據轉換器，用于將數字輸入轉換為相應的模擬輸出電平。一個(gè)N位DAC可以支持2N個(gè)輸出電平。位數越高，DAC輸出分辨率越高。

圖1. 數模轉換器(DAC)框圖。

首先，N位數字輸入提供給DAC串行寄存器。電壓開(kāi)關(guān)和電阻求和網(wǎng)絡(luò )將數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(gè)數字輸入生成8個(gè)模擬輸出電平。

圖2. 3位DAC的理想轉換函數。

DAC誤差

在現實(shí)世界中，轉換器并不理想。由于電阻值、插值和采樣的誤差，DAC的轉換函數并不是一條直線(xiàn)，或是線(xiàn)性的。這些誤差被稱(chēng)為差分非線(xiàn)性(DNL)和積分非線(xiàn)性(INL)。DNL是輸出電平與理想步長(cháng)之間的最大偏差，它由兩個(gè)連續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之間的最大偏差。通過(guò)增益和偏置校正，可以減小INL誤差。

圖3中的INL顯示了實(shí)際轉換函數與理想轉換函數之間的偏差。DAC的增益誤差表示實(shí)際轉換函數的線(xiàn)性近似斜率與理想轉換函數斜率的匹配程度。在繪圖時(shí)，調整增益會(huì )影響線(xiàn)性近似角度。偏置誤差是測量值與所選的零偏置點(diǎn)之間的差值。如果調整偏置量，整個(gè)線(xiàn)性近似曲線(xiàn)會(huì )相應地向上或向下移動(dòng)。單個(gè)代碼的INL是任意給定點(diǎn)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，那么轉換函數會(huì )是兩個(gè)端點(diǎn)之間的一條線(xiàn)。

圖3. INL誤差轉換函數。

校準程序

用戶(hù)可以建立校準程序，利用增益和偏置校正來(lái)降低DAC的非線(xiàn)性。以下步驟詳細說(shuō)明了示例校準程序的每個(gè)步驟。

對于N位DAC：

●    增益校正(GC)：

在最低和最高二進(jìn)制值時(shí)，DAC的線(xiàn)性度會(huì )降低。因此，建議在外部二進(jìn)制值或EC表推薦的校準點(diǎn)之間的5%至10%范圍內選擇校準點(diǎn)。進(jìn)行以下計算時(shí)，我們假設選擇5%的校準點(diǎn)。

     ○ 將DAC輸入設置為高于最低二進(jìn)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(jìn)制值5 %。計算并記錄IDEAL2。測量輸出電壓，并將其記錄為MEAS2。

     ○ 

     ○ 

●    偏置校正(OC)：

所需的零偏置點(diǎn)因應用而異。用戶(hù)應該根據自己的應用定義最佳值。有些用戶(hù)可能喜歡使用0V來(lái)獲得準確的接地參考點(diǎn)。有些用戶(hù)喜歡使用操作范圍的中間值來(lái)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(diǎn)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。

     ○ 

     ○ 

示例1

以MAX32007為例，它是一個(gè)八通道DCL，集成了電平設置DAC和PMU開(kāi)關(guān)。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(méi)有內部校準寄存器。校準DAC時(shí)，請遵循以下步驟：

     ○ 按照評估套件數據手冊中的說(shuō)明，啟動(dòng)MAX32007評估(EV)套件。

     ○ 將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。

     ○ 通過(guò)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(kāi)MAX32007評估套件軟件(GUI)。

     ○ 

采用圖4所示的DAC電壓電平和驅動(dòng)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(diǎn)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。

要應用增益校正，打開(kāi)菜單 → 選項 → 校準，如圖5所示。

圖5. MAX32007 DAC的校準菜單。

圖6. 帶校準寄存器的DAC的INL誤差校正。

     ○ 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。

     ○ 在執行增益和偏置校正之后，

示例2

以 MAX9979為例，它是一個(gè)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，調節了DAC輸出代碼，以盡量減少I(mǎi)NL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I(mǎi)NL誤差，如圖6所示。要校準DAC，請遵循以下步驟：

     ○ 按照評估套件數據手冊中的說(shuō)明，啟動(dòng) MAX9979評估套件。

     ○ 將SMB連接器DATA0A和NTRM0A連接至1.2 V。

     ○ 通過(guò)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(kāi)MAX9979評估套件軟件(GUI)。

     ○ 

     ○ 采用圖7所示的DAC電壓電平和驅動(dòng)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(diǎn)值為1.5 V。

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(jìn)行增益校正后，

注意，要執行增益和偏置校正，請轉至菜單 → 選項 → 更改 → 校準，如圖8所示。有關(guān)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(jiàn)MAX9979數據手冊。

圖8. MAX9979的校準寄存器設置