Автоматичне калібрування усунення нуля цифро-аналогових перетворювачів

У статті розглянуті методи калібрування зміщення нуля ІМС ЦАП, що дозволяють знизити це зміщення до 1 мВ.

К. Каванаг

Передавальна характеристика ЦАП

Передавальна характеристика N-розрядного біполярного ЦАП може бути представлена таким виразом:

A=G(2D2N−1)UFS+UOSA = G \left( \frac{2D}{2^N} – 1 \right) U_{FS} + U_{OS}A=G(2N2D​−1)UFS​+UOS​

де $A$ – аналогова вихідна напруга ЦАП, $D$ – десятковий еквівалент вхідного коду ЦАП, $G$ – коефіцієнт підсилення, що характеризує нахил передавальної характеристики ЦАП, UFSU_{FS}UFS​ – напруга повної шкали ЦАП, UOSU_{OS}UOS​ – напруга зміщення нуля.

Для ідеального ЦАП зміщення передавальної характеристики дорівнює нулю, тобто UOS=0U_{OS} = 0UOS​=0, а нахил дорівнює 45°, тобто $G=1$.

У технічній документації на ЦАП містяться рекомендації щодо калібрування похибки зміщення нуля за допомогою змінного резистора. Навіть в ІМС ЦАП, попередньо відкаліброваних в умовах виробництва, похибка зміщення нуля досить велика. Так, наприклад, в ІМС 16-канального 16-розрядного ЦАП AD5360 похибка зміщення нуля після калібрування в умовах виробництва становить кілька мілівольт. У цій статті показано, як за допомогою нескладного алгоритму і двох додаткових ІМС можна зменшити похибку зміщення нуля ЦАП до 1 мВ. Цей алгоритм можна використовувати як в умовах виробництва, так і при експлуатації ЦАП.

Особливості ІМС AD5360

ІМС ЦАП AD5360 може мати вихідний позитивний, негативний або біполярний сигнал (зі зміщенням або без нього). Вихідна напруга цього ЦАП становить ±10 В при напрузі опорного джерела 5 В.

Похибка зміщення нуля калібрується в умовах виробництва для кожного з 16 каналів в одному з вихідних діапазонів, наприклад, ±10 В. Однак, якщо в ІМС цього ЦАП змінюється вихідний діапазон, то похибка зміщення нуля в кожному з каналів може збільшитися і вийти за задані межі.

Структурні особливості AD5360 дозволяють легко усунути недоліки фабричної калібрування. В ІМС ЦАП (рис. 1) є спеціальний вхід GPIO і регістр SFR (Special Function Register), з’єднаний з цим входом, а також вихідний мультиплексор MUX, який забезпечує підключення одного з 16 виходів ЦАП до виводу MON_OUT ІМС, що дозволяє побудувати апаратно-програмну схему калібрування, як показано на рис. 1.

Алгоритм калібрування

Алгоритм калібрування похибки зміщення нуля ЦАП полягає в такому: компаратор (ІМС AD790) порівнює напругу на виході одного з 16 ЦАП (вивід MON_OUT) з потенціалом землі SIGGND. Вихідний сигнал компаратора індикує, вище чи нижче зміщення нуля ЦАП щодо потенціалу землі, при цьому в спеціальний регістр SFR додається або з нього віднімається одиниця. Це збіжний процес, який триває доти, доки напруга зміщення нуля ЦАП не стане практично рівною нулю (наблизиться до рівня нульового потенціалу). Як було зазначено вище, вбудований у ЦАП мультиплексор підключає один з каналів перетворювача до виходу ІМС MON_OUT, причому для того, щоб зменшити вплив струмів витоку ключів мультиплексора на точність калібрування похибки зміщення нуля, між виходом мультиплексора і входом компаратора увімкнений буферний малошумний підсилювач AD8597.

Для зменшення рівня пульсацій на виході підсилювача використовується RC-фільтр. Напруга живлення компаратора AD790 така сама, як і напруга живлення ЦАП, і становить ±15 В. Максимальна вхідна диференціальна напруга AD790 становить 15 В, що дозволяє обійтися без атенюатора на його вході. Відповідно до схеми калібрування (рис. 1) вихід компаратора має низький рівень, якщо напруга зміщення нуля ЦАП більша за потенціал землі, або високий рівень, якщо напруга зміщення нуля ЦАП менша за потенціал землі. У першому випадку рівень вихідної напруги перетворювача необхідно зменшити, а в другому – збільшити.

Для вибору каліброваного каналу ЦАП (одного з 16) у регістр мультиплексора записується код 0x0C002X, де X – номер каналу. У нульовий розряд регістра SFR записується поточний стан компаратора (0 або 1). Процедура запису даних у регістри ЦАП міститься в технічній документації (data sheet) на ЦАП AD5360.

На рис. 2 показана процедура калібрування напруги зміщення ЦАП. В один з каналів ЦАП завантажується вхідне слово 0x8000. У цьому випадку еквівалентна напруга на виході ідеального ЦАП дорівнює 0 В (потенціалу землі). Як показано на рис. 2, на виході реального ЦАП AD5360 є негативне зміщення. Таким чином, у регістр SFR необхідно записати код, який призведе до зміни стану виходу компаратора з низького на високий. З рис. 2 випливає, що це станеться, якщо вхідний код вибраного каналу ЦАП дорівнює 0x800A. Максимальний гістерезис компаратора AD790 становить 0.65 мВ, тому для точної калібрування ЦАП вхідний код необхідно зменшити до величини 0x8006. У цьому випадку вихід компаратора знову змінить свій стан з високого на низький.

Максимальна похибка зміщення нуля на виході ЦАП знаходиться в зоні між кодами 0x8006 і 0x8008, тобто найкращим вибором (як випливає з рис. 2) є код калібрування 0x8007. Однак у наших міркуваннях не враховані похибки зміщення нуля як підсилювача, так і компаратора. Виходячи з цього, можна зробити висновок, що найменше зміщення нуля на виході ЦАП можна отримати, якщо код калібрування буде знаходитися в зоні між кодами 0x8006 і 0x8008. При будь-якому з цих кодів похибка зміщення нуля ЦАП буде меншою за 1 мВ.

Висновки

1. ІМС прецизійних ЦАП, незважаючи на калібрування в умовах виробництва, мають досить велику похибку зміщення нуля — не менше кількох ЕМР.
2. Похибку зміщення нуля ІМС деяких ЦАП можна легко зменшити на кілька ЕМР, використовуючи досить просту схему калібрування, що включає дві зовнішні ІМС: підсилювача і компаратора.
3. Калібрування ЦАП у цьому випадку проводиться за кілька кроків і може повторюватися при зміні умов експлуатації виробів, у яких використовується цей ЦАП.