自动化测试设备 (ATE) 描述了设计用于一次对一个或多个设备执行单个或一系列测试的测试设备。不同类型的 ATE 测试电子设备、硬件和半导体设备。时序设备、数模转换器 (DAC)、模数转换器 (ADC)、多路复用器、继电器和开关是测试仪或 ATE 系统中的支持模块。这些针脚电子器件可以以精确的电压和电流传递信号和功率。这些精密信号由电平设置 DAC 配置。在 ATE 产品组合中，一些引脚电子器件具有校准寄存器，一些校准设置存储在片外。

DAC 具有非线性特性，例如微分非线性 (DNL) 和积分非线性 (INL)，可以通过使用增益和偏移调整将其最小化。本文介绍了 DAC 的功能、误差以及通过增益和偏移调整进行的校准。

DAC 是如何工作的?

DAC 是一种数据转换器，可将数字输入转换为相应的模拟输出电平。一个 N 位 DAC 可以支持 2 n 个输出电平。更高的位数对应更高的 DAC 输出分辨率。

图 1：DAC 框图(来源：Analog Devices)

首先，将 N 位数字输入提供给 DAC 串行寄存器。电压开关和电阻求和网络将数字输入转换为模拟输出电平。DAC 图的传输特性如图 2 所示。对于 3 位 DAC，2 3数字输入产生八个模拟输出电平。

图 2：3 位 DAC 的理想传递函数(来源：Analog Devices)

DAC 错误

在现实世界中，转换器并不理想。由于电阻值、插值和采样的变化，DAC 传递函数将不是一条直线，也不是线性的。这些错误称为 DNL 和 INL。DNL 是输出电平与理想步长的最大偏差。它源自两个连续输出电压电平之间的差异。INL 是输入/输出特性与理想传递函数的最大偏差。通过增益和偏移校正，可以减少 INL 误差。

图 3 中的 INL 显示了实际传递函数和理想传递函数之间的偏差。DAC 的增益误差表示实际传递函数的线性近似的斜率与理想传递函数的斜率的匹配程度。调整增益会影响线性逼近的角度。偏移误差是测量值与选择的所需零偏移点之间的差异。调整偏移量将相应地向上或向下移动整个线性近似。单个代码的 INL 是任何给定点的增益误差和偏移误差之和。校准后，一旦增益和偏移误差最小化，传递函数可以是端点之间的一条线。

图 3：INL 误差传递函数(来源：Analog Devices)

校准程序

用户可以建立校准例程，以使用增益和偏移校正来减少 DAC 非线性。以下过程解释了示例校准例程的逐步过程。

对于 N 位 DAC：

增益校正 (GC)：

DAC 在最低和最高二进制值下往往变得不那么线性。因此，建议在外部二进制值或 EC 表推荐的校准点之间选择 5% 到 10% 之间的校准点。对于以下计算，我们假设 5% 的校准点。

将 DAC 输入设置为比最低二进制值高 5%。计算预期电压输出，记为IDEAL1。测量输出电压并记为MEAS1。

将 DAC 输入设置为低于最高二进制值的 5%。计算并记录IDEAL2。测量输出电压并记录为 MEAS2。

偏移校正 (OC)：

所需的零偏移点因应用而异。用户应根据其应用定义最佳值。一些用户可能更喜欢使用 0 V 来获得准确的接地参考点。一些用户更喜欢使用其工作范围的中点来最小化整体 INL 误差。

将 DAC 的增益校正应用于电压编码方程的斜率，以建立单位增益。

选择所需的零偏移电压点并将其记录为 IDEAL3。使用您更新的电压代码方程计算代码。对计算出的代码进行编程，然后测量输出电压并将其记录为 MEAS3。

示例 1

以MAX32007 为例，它是一款带有集成电平设置 DAC 和 PMU 开关的八通道 DCL。MAX32007具有用于电平设置VDH、VDL、VDT/VCOM、VCH、VCL、VCPH和VCPL的内部DAC。这些 DAC 没有内部校准寄存器。要校准 DAC，请遵循以下程序：

按照评估板数据表中的说明为 MAX32007 评估 (EV) 套件上电。

将 SMB 连接器 DATA0A 和 NTRM0A 连接到 1.2 V。

通过 50-Ω 端接器将 SMB 连接器 NDATA0A 和 TRM0A 接地。

通过 USB 电缆将评估板连接到 Windows 10 PC。打开 MAX32007 评估板软件 (GUI)。

应用 DAC 电压电平和驱动器设置，如图 4 所示。请注意，最低工作 VDH DAC 值为 –1.5 V，最高工作值为 4.5 V;在这种情况下，零偏移点值为 1.5 V。

图 4：使用评估板软件对 MAX32007 进行 DAC 级设置(来源：Analog Devices)

施加 VDH = –1.5 V 并测量输出电压值。

施加 VDH = 4.5 V 并测量输出电压值。

增益校正 = 测量输出电压值之间的差异/理想值之间的差异。例如，(4.501 – (–1.497)) / (4.5 – (–1.5)) = 0.999667

应用增益校正后，

要应用增益校正，请打开菜单 → 选项 → 校准，如图 5 所示。

图 5：MAX32007 DAC 的校准菜单(来源：Analog Devices)

图 6：带校准寄存器的 DAC 的 INL 误差校正(来源：Analog Devices)

应用 VDH = 1.5 V(带增益校正代码)并测量输出电压值。

偏移校正 = 测量输出值 – 理想值。例如 (1.502 – 1.5) = 0.002。

应用增益和偏移校正后，

示例 2

以MAX9979 为例，它是一款带有集成电平设置 DAC 和 PMU 的双通道 DCL。MAX9979具有用于电平设置的内部DAC VDH、VDL、VDT、VCH、VCL、VCPH、VCPL、VCOM、VLDH、VLDL、VIN、VIOS、CLAMPHI/VHH和CLAMPLO。这些 DAC 具有内部校准寄存器。在示例 1 中，调整了 DAC 输入代码以最小化 INL 误差。在示例 2 中，DAC 输入代码保持不变，校准寄存器调整输出级缓冲器以最小化 INL 误差，如图 6 所示。要校准 DAC，请使用以下程序：

按照评估板数据表中的说明为MAX9979评估板上电。

将 SMB 连接器 DATA0A 和 NTRM0A 连接到 1.2 V。

通过 50-Ω 端接器将 SMB 连接器 NDATA0A 和 TRM0A 接地。

通过 USB 电缆将评估板连接到 Windows 10 PC。打开 MAX9979 评估板软件 (GUI)。

应用 DAC 电压电平和驱动器设置，如图 7 所示。请注意，VDH DAC 最低推荐值为 –1.5 V，最高推荐值为 4.5 V，而零偏移点值为 1.5 V。

图 7：使用评估板软件对 MAX9979 进行 DAC 级设置(来源：Analog Devices)

施加 VDH = –1.45 V 并测量输出电压值。

施加 VDH = 6.5 V 并测量输出电压值。

增益校正 = 测量输出电压值之间的差异/理想值之间的差异。例如，(6.501 V – (–1.455 V)) / (6.5 V – (–1.45 V)) = 1.0007 V。

应用增益校正后，

注意：增益和偏移校正可以在菜单 → 选项 → 更改 → 校准中应用，如图 8 所示。增益和偏移校正到增益和偏移代码的转换在 MAX9979 数据表中给出。

图 8：MAX9979 的校准寄存器设置(来源：Analog Devices)

审核编辑：汤梓红