Автоматическая калибровка смещения нуля цифро-аналоговых преобразователей

В статье рассмотрены ме- тоды калибровки смеще- ния нуля ИМС ЦАП, позволя- ющие снизить это смещение до 1 мВ.

К.Каванаг

Передаточная характеристика N-разрядно­го биполярного ЦАП может быть представлена следующим выражением:

где А – аналоговое выходное напряжение ЦАП, D – десятичный эквивалент входного ко­да ЦАП, G – коэффициент усиления, характе­ризующий наклон передаточной характерис­тики ЦАП, U_FS – напряжение полной шкалы ЦАП, U_0oS – напряжение смещения нуля.

Для идеального ЦАП смещение передаточ­ной характеристики равно нулю, т.е. U=0, а наклон равен 45°, т.е. G=1.

В технической документации на ЦАП содержатся рекомендации по калибровке погрешности смещения нуля с помощью пере­менного резистора. Даже в ИМС ЦАП, предва­рительно откалиброванных в условиях произ­водства, погрешность смещения нуля достаточ­но велика. Так, например, в ИМС 16-канально­го 16-разрядного ЦАП AD5360 погрешность смещения нуля после калибровки в условиях производства составляет несколько милли­вольт. В настоящей статье показано, как с по­мощью несложного алгоритма и двух дополни­тельных ИМС можно уменьшить погрешность смещения нуля ЦАП до 1 мВ. Этот алгоритм можно использовать как в условиях производ­ства, так и при эксплуатации ЦАП.

ИМС ЦАП AD5360 может иметь выходной положительный, отрицательный или биполяр­ный сигнал (со смещением или без него). Вы­ходное напряжение этого ЦАП составляет ±10 В при напряжении опорного источника 5 В.

Погрешность смещения нуля калибруется в ус­ловиях производства для каждого из 16 кана­лов в одном из выходных диапазонов, напри­мер, ±10 В. Однако, если в ИМС этого ЦАП из­меняется выходной диапазон, то погрешность смещения нуля в каждом из каналов может увеличиться и выйти за заданные пределы.

Структурные особенности AD5360 позволя­ют легко устранить недостатки фабричной ка­либровки. В ИМС ЦАП (рис. 1) имеется специ­альный вход GPIO и регистр SPF (Special Func­tion Register), соединиенный с этим входом, а также выходной мультиплексор MUX, который обеспечивает подключение одного из 16 выхо­дов ЦАП к выводу MON_OUT ИМС, что позволяет построить аппаратно-программную схему калибровки, как показано на рис. 1.

Алгоритм калибровки погрешности смеще­ния нуля ЦАП состоит в следующем: компара­тор (ИМС AD790) сравнивает напряжение на вы­ходе одного из 16 ЦАП (вывод MON_OUT) с по­тенциалом земли SIGGND. Выходной сигнал компаратора индицирует, выше или ниже сме­щение нуля ЦАП по отношению к потенциалу земли, при этом в специальный регистр SFR до­бавляется или из него вычитается единица. Это сходящийся процесс, который продолжается до тех пор, пока напряжение смещения нуля ЦАП не станет практически равным нулю (приблизит­ся к уровню нулевого потенциала). Как было от­мечено выше, встроенный в ЦАП мультиплексор подключает один из каналов преобразователя к выходу ИМС MON_OUT, причем для того, чтобы уменьшить влияние токов утечки ключей муль­типлексора на точность калибровки погрешно­сти смещения нуля, между выходом мультип­лексора и входом компаратора включен буфер­ный малошумящий усилитель AD8597.

Для уменьшения уровня пульсаций на выхо­де усилителя используется RC-фильтр. Напря­жение питания компаратора AD790 такое же, как и напряжение питания ЦАП, и составляет ±15 В. Максимальное входное дифференциаль­ное напряжение AD790 составляет 15 В, что поз­воляет обойтись без аттенюатора на его входе. В соответствии со схемой калибровки (рис. 1) выход компаратора имеет низкий уровень, если напряжение смещения нуля ЦАП больше по­тенциала земли, или высокий уровень, если напряжение смещения нуля ЦАП меньше по­тенциала земли. В первом случае уровень вы­ходного напряжения преобразователя необходи­мо уменьшить, а во втором – увеличить.

Рис. 1. Функциональная схема ЦАП с коррекцией погрешности смещения нуля

Для выбора калибруемого канала ЦАП (одно­го из 16) в регистр мультиплексора записывается код 0x0C002X, где Х – номер канала. В нулевой разряд регистра SFR записывается текущее сос­тояние компаратора (0 или 1). Процедура записи данных в регистры ЦАП содержится в техничес­кой документации (data cheat) на ЦАП AD5360.

На рис. 2 показана процедура калибровки напряжения смещения ЦАП. В один из каналов ЦАП загружается входное слово 0x8000. В этом случае эквивалентное напряжение на выходе идеального ЦАП равно 0 В (потенциалу земли). Как показано на рис. 2, на выходе реального ЦАП AD5360 имеется отрицательное смещение. Та­ким образом, в регистр SFR необходимо записать код, который приведет к изменению состояния выхода компаратора с низкого на высокий. Из рис. 2 следует, что это произойдет, если входной код выбранного канала ЦАП равен 0х800А. Мак­симальный гистерезис компаратора AD790 сос­тавляет 0.65 мВ, поэтому для точной калибровки ЦАП входной код необходимо уменьшить до ве­личины 0х8006. В этом случае выход компарато­ра опять изменит свое состояние с высокого на низкое.

Рис. 2. Процедура коррекции погрешности смещения нуля

Максимальная погрешность смещения нуля на выходе ЦАП находится в зоне между ко­дами 0х8006 и 0х8008, т.е. наилучшим выбором (как следует из рис. 2) является код калибровки 0х8007. Однако в наших рассуждениях не учте­ны погрешности смещения нуля как усилителя, так и компаратора. Исходя из этого, можно зак­лючить, что наименьшее смещение нуля на выхо­де ЦАП можно получить, если код калибровки будет находиться в зоне между кодами 0х8006 и 0х8008. При любом из этих кодов погрешность смещения нуля ЦАП будет меньше 1 мВ.

ВЫВОДЫ

1. ИМС прецизионных ЦАП, несмотря на калибровку в условиях производства, имеют достаточно большую погрешность смещения нуля — не менее нескольких ЕМР.
2. Погрешность смещения нуля ИМС неко­торых ЦАП можно легко уменьшить на не­сколько ЕМР, используя достаточно простую схему калибровки, включающую две внешние ИМС: усилителя и компаратора.
3. Калибровка ЦАП в этом случае произво­дится за несколько шагов и может повторяться при изменении условий эксплуатации изде­лий, в которых используется этот ЦАП.