从14通道32位字符串DAC获得14位性能
ad5532 32通道、14位电压输出数模转换器可用于dac模式（用于访问数字数据的多个模拟表示）或无限采样保持（isha）模式（用于存储和访问模拟数据的模拟表示）。dac具有14位单调性，但积分非线性度仅为±0.39%。本文介绍如何校准dac以提供14位性能。
图1.ad5532 功能框图
在dac模式下，选定的dac寄存器通过3线串行接口写入;然后更新该dac的模拟输出（vout），以反映dac寄存器的新内容。dac选择通过五个地址位a0-a4完成。基准电压源、施加offs_in引脚的电压和输出放大器的增益共同决定了ad5532的输出范围。
在isha模式下，输入电压vin被采样并转换为数字字。在采集期间，所选（第n个）输出缓冲器（增益和失调级）的同相输入与vin相连，以避免瞬态杂散输出，而第n个dac获取正确的代码，该步进最大完成16 μs。然后，更新后的dac输出连接到第n个输出缓冲器的同相输入，并控制其输出电压。由于通道输出电压实际上是具有固定输入的dac的输出，因此没有与之相关的压降。只要保持器件的电源，输出电压将保持恒定，直到再次寻址该通道。
由于输出放大器的裕量限制，模拟输出限制在vss + 2 v至vdd – 2 v的范围内。该器件的工作电压为 avcc = 5 v ±5%，dvcc = 2.7 v 至 5.25 v，vss = –4.75 v 至 –16.5 v，vdd = 8 v 至 16.5 v;它要求ref_in上有一个稳定的+3 v基准电压源，offs_in上也需要一个失调电压。
在dac工作模式下，ad5532的dac保证单调至14位（差分非线性<1 lsb），因此非常适合闭环控制应用。然而，精度受到节省空间的字符串dac架构的限制。dac的指定积分非线性（inl）误差为满量程（典型值为0.39%）的0.15%最大值，或64位器件中24位（典型值为5.14）的最低有效位。因此，我们可以说，最差情况下的dac积分线性度与8位器件相当，即使它具有14位分辨率。
这种最差情况性能水平对于许多应用来说是可以接受的，特别是考虑到ad5532可以随时经济、紧凑地存储和读出32个模拟数据点，分辨率为百万分之61。但是，在许多应用中，尽管这种性能至关重要，但也需要更高的精度。本文旨在展示一种校准ad5532以实现全14位性能的方法，每个dac最多只有256个校准系数（128个数据点），使用控制器和最多8，192个内存插槽。图 2 显示了可以获得的改进类型。
图2.在128°c下对典型ad5532通道进行25点校准时，未校准线性误差与校准后线性误差的比较。
下面介绍基本的dac架构和校准方法，可以轻松实现1 lsb的inl误差水平。
数字转换器架构
通用串式dac是最古老、最简单的dac电路概念之一。电阻串dac方案在设计上本质上是单调的，具有简单、小尺寸（每个电阻器）和低功耗的特点。但一个主要缺点是 2n需要电阻才能直接实现它，例如，16位的384，14。为了减少电阻数量和芯片尺寸，ad5532集成了两个128电阻串（7位）——一个主串dac用于7个更高有效位，另一个7位子串dac。基本架构如图3所示（美国专利5，969，657）。子串dac横跨主串，始终与其中一个主串电阻并联。
图3.通用字符串 dac 架构。
直接乘法电位计式阻性dac由于子串与主串并联的可变负载而遭受步长非线性的影响。但在ad5532等dac中，子串的负载在所有电平上都是相同的，并且不是作为主要误差源，而是作为dac传递函数的特征。子字符串加载错误为 1 lsb。
ad5532 dac采用上述架构，由一个7位串主dac（128个电阻）和一个7位串子dac（127个电阻）组成，用于桥接主dac的各个电阻。积分非线性误差（inl）由主dac电阻的匹配决定。子dac提供传递函数的较低127个代码。子dac的线性度可以用分段线性段近似。
dac传递函数：
ad5532上的主dac通常从dacgnd提升50 mv（通过dac底部的电阻）。因此，dac的底部通常为50 mv，而dac的顶部通常为v裁判.图4显示了如何推导单个通道的标称dac传递函数。
图4.ad5532 dac等效电路
适用于ad5532的标准dac传递函数为：
其中：
n = 十进制 dac 代码值 （0
vref_top= vref 和 vref_bottom= 50 mv （典型值）
然后，输出级放大并偏移vdac输出，如下所示：
其中：
增益通常为3.52，voffs_in是用户编程的任何值。
对于 voffs_in = 0 且 vref = 3 v
输出电压（零码）= 3.52 * 50mv = 176 mv （典型值）
vout（中间电平）= 3.52 *1.525v = 5.368 v （典型值）
vout（满量程）= 3.52 * 3v = 10.56v （典型值）
校准方案：
如上所述，该校准方案适用于ad5532系列中的所有器件。整个inl曲线可以被认为是128个分段线性段 - 对应于上弦电阻值的偏差 - 然后在下弦中线性插值。由于上部电阻串中的小电阻偏差（在14位电平上产生显著的非线性）会因通道和器件而异，因此不存在“典型”inl曲线;每个dac都需要单独校准。此处概述的校准方案使用每个段中校正值的 mx + c 近似值生成对较低 128 个代码的校正。c 是段开头所需的校正，m 是到下一段开头的存储斜率，x 是对应于给定 7 位代码的模拟比率。
因此，用户可以通过测量每个上部 128 个代码的期望值与实际值之间的差异 c，计算增量斜率 （m），并将每个 128 点间隔的两个值存储在内存中来开发校准表，如图 5 所示。然后，在运行时，从上7位确定段，从而确定c&m，计算由下7位确定的插值，并将校正应用于dac输入。
图5.使用dac段对传递函数进行线性化。
每校准128个代码（即每个段）会将1位电平的inl误差从未校准dac的最坏情况±14 lsb降至±64 lsb以下。如果所有校正数据必须存储在少于 8192 个字的内存中，则可以通过将校准间隔增加到 256 或 512 个点来减少校准点的数量，但这会降低整体积分线性度。
图6是校准前ad5532 dac通道的线性误差曲线图，典型值为10位量级。在所有这些图中，y轴表示以lsb表示的线性误差（1 lsb = 61 ppm），而x轴是加载到dac的14位代码。
图6.ad5532 预校准线性曲线图
图7显示了实施上述128点校准后同一通道上的非线性误差。可以看出，inl误差现在在±1 lsb范围内。
图7.128点校准后的校准后线性误差。
图6和图7中的曲线为25°c。 附录a显示了在40°c下实施85点校准方案后，在–128°c和+25°c时的线性误差。 最坏情况下的误差似乎是25°c时的两倍左右。
如上所述，也可以使用较少数量的校准点来实现校准。附录b显示了使用较少校准点导致的线性误差增加。
硬件实现
图8所示为使用ad5532的典型硬件实现方案。通常，控制器直接写入ad5532，提供寻址和计算校准数据输入值，以更新相关通道。
图8.典型的硬件实现。
校准方案需要添加一个存储器块来存储dac传递函数中每个段的m和c校准数据。使用128点校准方案，每个dac需要存储256个校准系数。
校准完整的ad5532需要存储8192个系数。就内存大小而言，斜率系数（m）通常需要6位，偏移系数（c）也需要大约6位。如上文和附录 b 中所述，可以以牺牲准确性为代价来减小所需的内存大小。
在将数据写入特定dac时，控制器获取输入代码并进入存储器，以获取输入代码定义的段的相关m和c系数。然后，控制器执行线性插值，以确定要写入dac的正确代码。
结论
使用简单的插值方案，可以显著提高ad5532系列dac产品的线性度性能。
我们已经证明，在14°c下进行128点校准后，可以实现25位线性度性能。 预校准线性度通常为8至10位。
升级现有ad5532以提高具有计算能力的系统的性能，只需能够生成校准信息并提供存储模块来存储校准系数。
附录a.在25°c下校准后其他温度下的线性度。
图a1显示了128°c下在单个ad5532通道上进行25点校准后的未校准线性度性能和校准后线性误差。 图a2和a3显示了在25°c下校准后的性能与温度的关系。 这些图显示了lsb与数字输入代码（x轴）的线性误差（y轴）。
图 a1， 2， 3.ad5532未校准线性误差和在128°c、–25°c和40°c下进行85点校准后的线性度有所改善。 请注意 a2 和 a3 的比例变化。
附录 b. 校准点较少的可实现性能
通过实施5532点校准方案，可以合理努力实现校准ad128的最佳性能。为了减少校准时间和内存要求，可以减少校准点的数量，但会牺牲整体精度。图b1、2、3、4中包含的曲线将预校准误差与使用128、64、32和16个校准点（25°c）实现的连续减少的改进进行了比较。
图 b1、2、3、4。ad5532的线性度性能无需校准，并在128°c下分别进行64、32、16和25点校准。
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图1.ad5532 功能框图
在dac模式下，选定的dac寄存器通过3线串行接口写入;然后更新该dac的模拟输出（vout），以反映dac寄存器的新内容。dac选择通过五个地址位a0-a4完成。基准电压源、施加offs_in引脚的电压和输出放大器的增益共同决定了ad5532的输出范围。
在isha模式下，输入电压vin被采样并转换为数字字。在采集期间，所选（第n个）输出缓冲器（增益和失调级）的同相输入与vin相连，以避免瞬态杂散输出，而第n个dac获取正确的代码，该步进最大完成16 μs。然后，更新后的dac输出连接到第n个输出缓冲器的同相输入，并控制其输出电压。由于通道输出电压实际上是具有固定输入的dac的输出，因此没有与之相关的压降。只要保持器件的电源，输出电压将保持恒定，直到再次寻址该通道。
由于输出放大器的裕量限制，模拟输出限制在vss + 2 v至vdd – 2 v的范围内。该器件的工作电压为 avcc = 5 v ±5%，dvcc = 2.7 v 至 5.25 v，vss = –4.75 v 至 –16.5 v，vdd = 8 v 至 16.5 v;它要求ref_in上有一个稳定的+3 v基准电压源，offs_in上也需要一个失调电压。
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这种最差情况性能水平对于许多应用来说是可以接受的，特别是考虑到ad5532可以随时经济、紧凑地存储和读出32个模拟数据点，分辨率为百万分之61。但是，在许多应用中，尽管这种性能至关重要，但也需要更高的精度。本文旨在展示一种校准ad5532以实现全14位性能的方法，每个dac最多只有256个校准系数（128个数据点），使用控制器和最多8，192个内存插槽。图 2 显示了可以获得的改进类型。
图2.在128°c下对典型ad5532通道进行25点校准时，未校准线性误差与校准后线性误差的比较。
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图3.通用字符串 dac 架构。
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ad5532 dac采用上述架构，由一个7位串主dac（128个电阻）和一个7位串子dac（127个电阻）组成，用于桥接主dac的各个电阻。积分非线性误差（inl）由主dac电阻的匹配决定。子dac提供传递函数的较低127个代码。子dac的线性度可以用分段线性段近似。
dac传递函数：
ad5532上的主dac通常从dacgnd提升50 mv（通过dac底部的电阻）。因此，dac的底部通常为50 mv，而dac的顶部通常为v裁判.图4显示了如何推导单个通道的标称dac传递函数。
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n = 十进制 dac 代码值 （0
vref_top= vref 和 vref_bottom= 50 mv （典型值）
然后，输出级放大并偏移vdac输出，如下所示：
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增益通常为3.52，voffs_in是用户编程的任何值。
对于 voffs_in = 0 且 vref = 3 v
输出电压（零码）= 3.52 * 50mv = 176 mv （典型值）
vout（中间电平）= 3.52 *1.525v = 5.368 v （典型值）
vout（满量程）= 3.52 * 3v = 10.56v （典型值）
校准方案：
如上所述，该校准方案适用于ad5532系列中的所有器件。整个inl曲线可以被认为是128个分段线性段 - 对应于上弦电阻值的偏差 - 然后在下弦中线性插值。由于上部电阻串中的小电阻偏差（在14位电平上产生显著的非线性）会因通道和器件而异，因此不存在“典型”inl曲线;每个dac都需要单独校准。此处概述的校准方案使用每个段中校正值的 mx + c 近似值生成对较低 128 个代码的校正。c 是段开头所需的校正，m 是到下一段开头的存储斜率，x 是对应于给定 7 位代码的模拟比率。
因此，用户可以通过测量每个上部 128 个代码的期望值与实际值之间的差异 c，计算增量斜率 （m），并将每个 128 点间隔的两个值存储在内存中来开发校准表，如图 5 所示。然后，在运行时，从上7位确定段，从而确定c&m，计算由下7位确定的插值，并将校正应用于dac输入。
图5.使用dac段对传递函数进行线性化。
每校准128个代码（即每个段）会将1位电平的inl误差从未校准dac的最坏情况±14 lsb降至±64 lsb以下。如果所有校正数据必须存储在少于 8192 个字的内存中，则可以通过将校准间隔增加到 256 或 512 个点来减少校准点的数量，但这会降低整体积分线性度。
图6是校准前ad5532 dac通道的线性误差曲线图，典型值为10位量级。在所有这些图中，y轴表示以lsb表示的线性误差（1 lsb = 61 ppm），而x轴是加载到dac的14位代码。
图6.ad5532 预校准线性曲线图
图7显示了实施上述128点校准后同一通道上的非线性误差。可以看出，inl误差现在在±1 lsb范围内。
图7.128点校准后的校准后线性误差。
图6和图7中的曲线为25°c。 附录a显示了在40°c下实施85点校准方案后，在–128°c和+25°c时的线性误差。 最坏情况下的误差似乎是25°c时的两倍左右。
如上所述，也可以使用较少数量的校准点来实现校准。附录b显示了使用较少校准点导致的线性误差增加。
硬件实现
图8所示为使用ad5532的典型硬件实现方案。通常，控制器直接写入ad5532，提供寻址和计算校准数据输入值，以更新相关通道。
图8.典型的硬件实现。
校准方案需要添加一个存储器块来存储dac传递函数中每个段的m和c校准数据。使用128点校准方案，每个dac需要存储256个校准系数。
校准完整的ad5532需要存储8192个系数。就内存大小而言，斜率系数（m）通常需要6位，偏移系数（c）也需要大约6位。如上文和附录 b 中所述，可以以牺牲准确性为代价来减小所需的内存大小。
在将数据写入特定dac时，控制器获取输入代码并进入存储器，以获取输入代码定义的段的相关m和c系数。然后，控制器执行线性插值，以确定要写入dac的正确代码。
结论
使用简单的插值方案，可以显著提高ad5532系列dac产品的线性度性能。
我们已经证明，在14°c下进行128点校准后，可以实现25位线性度性能。 预校准线性度通常为8至10位。
升级现有ad5532以提高具有计算能力的系统的性能，只需能够生成校准信息并提供存储模块来存储校准系数。
附录a.在25°c下校准后其他温度下的线性度。
图a1显示了128°c下在单个ad5532通道上进行25点校准后的未校准线性度性能和校准后线性误差。 图a2和a3显示了在25°c下校准后的性能与温度的关系。 这些图显示了lsb与数字输入代码（x轴）的线性误差（y轴）。
图 a1， 2， 3.ad5532未校准线性误差和在128°c、–25°c和40°c下进行85点校准后的线性度有所改善。 请注意 a2 和 a3 的比例变化。
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通过实施5532点校准方案，可以合理努力实现校准ad128的最佳性能。为了减少校准时间和内存要求，可以减少校准点的数量，但会牺牲整体精度。图b1、2、3、4中包含的曲线将预校准误差与使用128、64、32和16个校准点（25°c）实现的连续减少的改进进行了比较。
图 b1、2、3、4。ad5532的线性度性能无需校准，并在128°c下分别进行64、32、16和25点校准。
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