注意：Maxim提供各種精度的電流輸出DAC。本文中，將以MAX5891 作為測(cè)量和規(guī)格說(shuō)明的特例。但所介紹的參數(shù)和測(cè)量方法可以用于其他的差分輸出、電流模式DAC。

線(xiàn)性參數(shù)說(shuō)明

定義數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器線(xiàn)性精度主要有兩個(gè)參數(shù)：積分（INL）和差分（DNL）非線(xiàn)性。INL是輸出傳輸函數(shù)和理想直線(xiàn)之間的偏差；DNL是轉(zhuǎn)換器輸出步長(zhǎng)相對(duì)于理想步長(zhǎng)的誤差。

可以采用兩種方法之一對(duì)INL進(jìn)行定義：（1）端點(diǎn)INL或（2）最佳擬合INL。端點(diǎn)INL是采用DAC傳輸函數(shù)端點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際值計(jì)算轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性度；最佳擬合INL則是計(jì)算傳輸函數(shù)的斜率獲得INL的峰值。

圖1a. 端點(diǎn)積分非線(xiàn)性誤差

圖1b. 最佳擬合積分非線(xiàn)性誤差

圖1a和圖1b以圖形的形式顯示了兩種測(cè)試方法與給定傳輸函數(shù)之間的關(guān)系。注意，兩種情況中，DAC傳輸函數(shù)曲線(xiàn)的數(shù)值和形狀都一樣。還要注意，圖1a的端點(diǎn)線(xiàn)性度有較大的正INL，而沒(méi)有負(fù)誤差。

采用圖1b所示的最佳擬合方法，將部分正誤差轉(zhuǎn)移到直線(xiàn)的負(fù)側(cè)，以降低報(bào)告的最大INL。注意，線(xiàn)性度誤差總量和直線(xiàn)計(jì)算結(jié)果相同。

DNL定義理解起來(lái)要難一些，確定最低有效位（LSB）的權(quán)值會(huì)影響DNL。DAC中需要考慮DNL沒(méi)有小于-1 LSB的編碼。小于這一電平的DNL誤差表明器件是非單調(diào)的。當(dāng)輸出不隨輸入碼增大而減小時(shí)，或者輸出不隨輸入碼減小而增大時(shí)，DAC是單調(diào)的。圖2解釋了正、負(fù)DNL誤差，澄清了單調(diào)的概念。

測(cè)量線(xiàn)性度所采用的方法需要考慮待*估DAC的體系結(jié)構(gòu)。優(yōu)先選擇將電流模式DAC輸出轉(zhuǎn)換為電壓，因?yàn)檫@樣可以使用電壓表而不是電流表。普通的萬(wàn)用表在測(cè)量電壓時(shí)分辨率要高于電流測(cè)量。電流源的配置決定了需要測(cè)量多少位編碼才能對(duì)器件性能進(jìn)行精確的*估。

圖2. DNL誤差實(shí)例

有很多方法可以將電流（I）轉(zhuǎn)換為電壓（V），主要取決于幾種因素。首先考慮使用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量，能夠得到的最高分辨率決定了精確測(cè)量的最小LSB權(quán)重。推薦LSB權(quán)重與儀表分辨率的比是100比1；儀表應(yīng)能夠測(cè)量LSB的1/100。

待測(cè)DAC的輸出額定容限也影響了如何進(jìn)行I至V的轉(zhuǎn)換。電流模式DAC輸出容限是指器件在輸出上能夠承受多大的電壓而不會(huì)對(duì)性能有影響。增大負(fù)載電阻會(huì)提高電壓擺幅和LSB的大小，但是容限限制了最大負(fù)載。

替代簡(jiǎn)單的電阻轉(zhuǎn)換的方法是使用虛擬地配置的運(yùn)算放大器，如圖3所示。由于DAC輸出電壓保持為零，這種配置的優(yōu)勢(shì)是能夠提高LSB的大小，明顯高于容限限制。然而，放大器容限和線(xiàn)性度以及熱梯度會(huì)影響測(cè)量。同樣的，需要兩個(gè)匹配放大器來(lái)測(cè)量差分輸出器件。

圖3. 虛擬地的I至V轉(zhuǎn)換

測(cè)量線(xiàn)性度時(shí)需要考慮的另一因素是待*估DAC的分辨率。器件分辨率越高，LSB越小。考慮MAX5891 （16位）、MAX5890 （14位）、MAX5889 （12位）器件。每一器件的滿(mǎn)量程輸出為20mA。使用50Ω負(fù)載時(shí)，相應(yīng)的LSB大小為15.25？V、61.04？V和244.2？V。LSB越小，萬(wàn)用表需要的精度和分辨率就越高。

考慮到DAC的分辨率，還應(yīng)該確定需要多少位編碼才能精確地測(cè)量器件性能。16位器件有65，536個(gè)可能的輸入編碼，12位器件有4，096個(gè)。由于不可能人工測(cè)量所有這些編碼，因此，常用的方法是測(cè)量編碼子集。少量的編碼減少了采集數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間，并且能夠提供非常精確的結(jié)果。掌握器件的體系結(jié)構(gòu)有助于選擇某一器件的最佳編碼。

測(cè)量電流輸出器件的線(xiàn)性度時(shí)，溫度效應(yīng)比較明顯。輸出負(fù)載電阻的功耗導(dǎo)致發(fā)熱，從而改變了電阻值（除非采用的電阻具有0ppm溫度系數(shù)）。解決這一問(wèn)題的方法是轉(zhuǎn)換輸入編碼，有效地對(duì)負(fù)載功耗進(jìn)行平均。

這里采用的方法非常適合自動(dòng)測(cè)量，因?yàn)樗軌驕p小所有編碼的延遲時(shí)間。測(cè)量每一編碼及其補(bǔ)碼，例如0x4800，然后是0xB7FF。通過(guò)測(cè)量每一編碼及其補(bǔ)碼，負(fù)載平均功率保持固定，這是因?yàn)椴捎昧藦牧愕綕M(mǎn)量程遞增的方式來(lái)測(cè)量最高有效位（MSB）輸入。由于在量程中部測(cè)量LSB，該方法不太適合，因?yàn)楣β实淖兓喈?dāng)小。

測(cè)量說(shuō)明

以下是Maxim開(kāi)發(fā)的幾種器件所采用的線(xiàn)性度測(cè)量方法。MAX5873 、MAX5875 、MAX5885、MAX5888 MAX5891、MAX5895 和MAX5898 /都采用了該方法進(jìn)行測(cè)量。在最初設(shè)計(jì)*估和產(chǎn)品測(cè)試時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。雖然下面實(shí)例針對(duì)MAX5891，該方法也可以用于其他器件。

MAX5891采用了5-4-3-4分段結(jié)構(gòu)。分段是指將一個(gè)16位器件有效地分成四個(gè)單獨(dú)的DAC，一個(gè)5位、一個(gè)4位、一個(gè)3位和第二個(gè)4位器件。5個(gè)MSB含有31個(gè)（25 - 1）等權(quán)重電流源，對(duì)于5位分辨率，每個(gè)輸入編碼采用一個(gè)等權(quán)重電流源。下一個(gè)4位使用15個(gè)源，再下一個(gè)3位使用7個(gè)。4個(gè)LSB是二進(jìn)制權(quán)重電流源，每個(gè)低位比特等于前一比特值的一半。

電流源的總數(shù)57 （31 + 15 + 7 + 4）加上滿(mǎn)幅值和零值，確定了測(cè)量MAX5891線(xiàn)性度所需的最少編碼數(shù)。59次測(cè)量支持重新構(gòu)建完整的DAC輸出傳輸函數(shù)。一旦確定了傳輸函數(shù)，即可計(jì)算線(xiàn)性度。該方法雖然縮短了測(cè)試時(shí)間，但降低了測(cè)量精度。表1列出了推薦的MAX5891編碼組。

表1. 5-4-3-4體系結(jié)構(gòu)16位編碼組

MAX5890和其他Maxim 14位器件使用5-4-3-2分段體系結(jié)構(gòu)，14位體系結(jié)構(gòu)的編碼組如表2所示。MAX5889和其他Maxim 12位器件使用5-4-3體系結(jié)構(gòu)，12位體系結(jié)構(gòu)的編碼組如表3所示。

表2. 5-4-3-2體系結(jié)構(gòu)的14位編碼組

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表3。5-4-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的12位編碼組

定義了編碼組后，必須解決采集測(cè)量點(diǎn)的問(wèn)題。適合此類(lèi)測(cè)量的萬(wàn)用表是安捷倫？3458，分辨率高達(dá)8.5位。該表連接在MAX5891的OUTP和OUTN端之間，輸出端以50Ω負(fù)載接地。當(dāng)DAC設(shè)置為20mA滿(mǎn)量程電流時(shí)，萬(wàn)用表輸入得到的電壓擺幅為±1V。

萬(wàn)用表最小設(shè)置為固定的1.2V，使用最大分辨率，得到10nV最小測(cè)量結(jié)果。切換表的會(huì)議會(huì)測(cè)量值的增益誤差；因此，使用單電壓變化可以避免其他的誤差源。由于需要鎖存數(shù)字輸入，MAX5891還需要時(shí)鐘信號(hào)。一旦連接好了萬(wàn)用表，時(shí)鐘源，電源和數(shù)字輸入控制，就可以采集線(xiàn)性度測(cè)量點(diǎn)。

采集所有測(cè)量點(diǎn)后，需要畫(huà)出重建后的DAC輸出傳輸函數(shù)。由于對(duì)每一電流源都進(jìn)行了測(cè)量，很容易產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所有編碼的傳輸函數(shù)。例如，考慮器件的4個(gè)LSB。我們測(cè)量編碼0x8000、0x8001、0x8002、0x8004和0x8008。對(duì)于編碼0x8000，LSB計(jì)算的基準(zhǔn)是DAC等級(jí)中部。LSB權(quán)重是在0x8001測(cè)得的電壓值指示燈在0x8000測(cè)得的電壓值。

在0x8001和0x8780之間測(cè)量的所有編碼采用相同的公式。0x0800到0xF800的其他點(diǎn)是MSB電流源，以編碼0x0000為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。考慮編碼0x4F31作為各種電流相加的例子。

首先，我們需要確定哪一測(cè)量點(diǎn)什么時(shí)候相加能夠等于實(shí)例編碼。0x4800是小于目標(biāo)編碼的最大MSB。從0x4F31中編碼0x4800后的余數(shù)為0x0331。編碼0x0300是可以減掉的次最大編碼（0x8300-0x8000），接下來(lái)是0x0030（0x8030-0x8000），最后是0x0001（0x8001-0x8000）。

因此，可以采用下面的等式來(lái)表示編碼0x4F31的電壓值：

［V（0x4800）-V（0x0000）］ + ［V（0x8300）-V（0x8000）］ + ［V（0x8030）-V（0x8000）］ + ［V（0x8001）-V（0x8000）］（公式1 ）

使用相似的等式，可以計(jì)算任意給定輸入編碼的電壓值。利用MATLAB？或Excel？軟件等工具可以很容易地計(jì)算所有編碼的電壓，重建全部的DAC傳輸。

一旦建立了傳輸函數(shù)，就。可以計(jì)算線(xiàn)性度第一步是根據(jù)傳輸函數(shù)的端點(diǎn)計(jì)算LSB的電壓值（端點(diǎn)法）

VLSB = ［V（0xFFFF的） - V（0×0000）］ / ［2N - 1］（公式2）

其中

?是器件分辨率（16、14或12位）

V（0x0000）是測(cè)得的DAC零標(biāo)輸出電壓

。V（0xFFFF）是測(cè)得的DAC滿(mǎn)幅輸出電壓。采用

下面的等式來(lái)計(jì)算任意給定編碼的INL：

INLCODE（LSB）= ［VCODE-（CODE×VLSB）］ / VLSB（公式3）

其中

CODE是要計(jì)算的數(shù)字編碼

。VLSB是公式2中計(jì)算的電壓值

。VCODE是計(jì)算的DAC輸出電壓值。

下面的等式用于計(jì)算任意給定編碼的DNL：

DNLCODE（個(gè)LSB）= ［VCODE - VCODE -1 - VLSB］ / VLSB（公式4）

其中

，CODE是要計(jì)算的數(shù)字編碼

VCODE是針對(duì)CODE計(jì)算的。DAC輸出電壓值

VCODE-1是針對(duì)CODE - 1計(jì)算的DAC輸出電壓值。

VLSB是公式2中計(jì)算的電壓值。下面通過(guò)使用

MATLAB腳本計(jì)算MAX5889，MAX5890和MAX5891的線(xiàn)性度進(jìn)行說(shuō)明。每次計(jì)算都得到最小和最大DNL和INL誤差編碼和誤差值。實(shí)例還為所有編碼畫(huà)出要求用戶(hù)輸入前面表格中所列出的編碼的電壓測(cè)量值。必須按照依次順序輸入數(shù)值。

計(jì)算16位線(xiàn)性度的MATLAB

腳本函數(shù)Lin16（Measurements）

％計(jì)算INL和DNL。具有5-4-3-4分段架構(gòu)的16位設(shè)備的

百分比DACCodes是到16位DAC

DACCodes = ［0：65535］‘的可能輸入數(shù)據(jù)的范圍；

從測(cè)量點(diǎn)計(jì)算出每個(gè)代碼的％VOUT。

％創(chuàng)建一個(gè)VOUT變量，并用零填充

VOUT = zeros（size（DACCodes））;

％第一個(gè)測(cè)量值為零標(biāo)度點(diǎn)，或代碼（0x0000）

ZS = Measurements（1）;

VOUT（1）= ZS;

％最后一次測(cè)量是滿(mǎn)量程點(diǎn)或代碼（0xFFFF）

FS =測(cè)量值（長(zhǎng)度（測(cè)量值））;

VOUT（65536）= FS;

％Midscale存儲(chǔ)在輸入數(shù)據(jù)數(shù)組

MS的第43位，MS = Measurements（43）；

設(shè)備具有四個(gè)細(xì)分級(jí)別

Segments = 4；

％LSB代碼的十進(jìn)制值為1、2、4和8

Seg1Codes = ［1; 2; 4; 8］; 對(duì)于i = 1：4 Seg1V（i）= Measurements（i + 1）-MS，

LSB的電壓在輸入陣列的位置2-5中。end ％第二段細(xì)分由輸入代碼16到％112進(jìn)行控制，步長(zhǎng)為16。創(chuàng)建代碼數(shù)組并填充％sthisegmentation level Seg2Codes = ［16：16：16 * 7］’的測(cè)量值；對(duì)于i = 1：7 Seg2V（i）= Measurements（i + 5）-MS; 結(jié)束

細(xì)分級(jí)別3使用128到1920的輸入代碼，步長(zhǎng)為128。

％創(chuàng)建代碼數(shù)組并填充測(cè)量值數(shù)組。

Seg3Codes = ［128：128：128 *（2 ^ 4-1）］‘;

對(duì)于i =

1：15 Seg3V（i）= Measurements（i + 12）-MS;

結(jié)束

％細(xì)分級(jí)別3使用輸入代碼2048到63，488，步長(zhǎng)為2048。

％創(chuàng)建代碼數(shù)組并填充測(cè)量值數(shù)組。

Seg4Codes = ［2048：2048：2048 *（2 ^ 5-1）］’;

對(duì)于i =

1：31 Seg4V（i）= Measurements（i + 27）-ZS;

結(jié)束

％已經(jīng)定義了端點(diǎn)，現(xiàn)在填寫(xiě)

DAC傳遞函數(shù)的％剩余點(diǎn)的電壓。

對(duì)于i = 2：65535

targetcode = i-1;

VOUT（i）= ZS; 如果seg4Codes 《= targetcode

，則s = 31：-1：1

targetcode = targetcode-Seg4Codes（s）;

VOUT（i）= VOUT（i）+ Seg4V（s）;

s = 0;

端

結(jié)束

對(duì)于s = 15：-1：1

如果Seg3Codes（S）《= targetcode

targetcode = targetcode-Seg3Codes（一個(gè)或多個(gè)）;

VOUT（i）= VOUT（i）+ Seg3V（s）;

s = 0;

端

如果targetcode == 0

S = 0;

端

結(jié)束

-1：對(duì)于s = 7 1

如果Seg2Codes（S）《= targetcode

targetcode = targetcode-Seg2Codes（一個(gè)或多個(gè)）;

VOUT（i）= VOUT（i）+ Seg2V（s）;

s = 0;

端

如果targetcode == 0

S = 0;

端

結(jié)束

如果targetcode == 0

S = 0; 如果Seg1Codes 《= targetcode targetcode = targetcode-Seg1Codes（s），則

結(jié)束

于s = 4：-1：1 。

VOUT（i）= VOUT（i）+ Seg1V（s）;

結(jié)束

結(jié)束

結(jié)束

％繪制傳遞函數(shù)

圖（1）

圖（DACCodes，VOUT）;

xlabel（‘DAC輸入代碼’）;

ylabel（‘實(shí)測(cè)電壓’）;

軸（［0 65536 -1.1 1.1］）;

title（‘DAC傳遞函數(shù)’）;

set（gca，‘XTick’，0：16384：65536）

％計(jì)算線(xiàn)性度

LSB =（max（VOUT）-min（VOUT））/ 65535;

INL（1）= 0;

DNL（1）= 0;

對(duì)于i = 2：65536

INL（i）=（VOUT（i）-（VOUT（1）+（i-1）* LSB））/ LSB;

DNL（i）=（VOUT（i）-VOUT（i-1）-LSB）/ LSB;

結(jié)束

％Plot INL

圖（2）

圖（DACCodes，INL）;

title（‘DAC積分線(xiàn)性度’）;

xlabel（‘DAC輸入代碼’）;

ylabel（‘INL（LSBs）’）;

軸（［0 65536 min（INL）* 1.1 max（INL）* 1.1］）;

set（gca，‘XTick’，0：16384：65536）

％繪制DNL

圖（3）

圖（DACCodes，DNL）;

title（‘DAC差分線(xiàn)性度’）;

xlabel（‘DAC輸入代碼’）;

ylabel（‘DNL（LSBs）’）;

軸（［0 65536 min（DNL）* 1.1 max（DNL）* 1.1］）;

set（gca，‘XTick’，0：16384：65536）

txtstr = sprintf（‘INL MAX =％f’，max（INL））;

顯示（txtstr）;

txtstr = sprintf（‘INL MIN =％f’，min（INL））;

顯示（txtstr）;

txtstr = sprintf（‘DNL MAX =％f’，max（DNL））;

顯示（txtstr）;

txtstr = sprintf（‘DNL MIN =％f’，min（DNL））;

顯示（txtstr）;

16位腳本產(chǎn)生的曲線(xiàn)

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