Калибровка линейности ЦАП и АЦП

[dortonyan]

Предлагаю ветку для обсуждения вопросов повышения линейности преобразователей с помощью дополнительной калибровки.
В первую очередь данный вопрос актуален конечно же для параллельных преобразователей, но и ДС приборы также имеют потенциал для улучшения линейности. И если для первых корректировать нужно DNL и INL, то для вторых достаточно только скорректировать INL.
Для затравки приведу несколько примеров:

Многие параллельные ЦАП имеют специальные выводы для подключения внешних подстроечных потенциометров, однако они, как правило исправляют нелинейность только на середине шкалы (исключение только PCM58/PCM1701). В то же время, интегральные конвертеры, как правило, обладают достаточно высокой стабильностью для получения точности много выше их исходной разрядности. Пример использования конверторов невысокой разрядности для построения ЦАП высокого разрешения я предложил еще в ветке: https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=67739
Однако из-за сложности предложенного метода калибровки такая схемотехника не нашла популярности у любителей.
Для ЦАП с двоичной матрицей преобразования (типа TDA1541) я придумал более простой способ калибровки:

Аналоговая подстройка линейности параллельных ЦАП с двоично-весовой матрицей

[свернуть]

Такой метод требует по одному потенциометру на каждый бит, по аналогии с подстройкой в PCM58. Эту же схемотехнику можно применить и для PCM58. Например: если нужно подстроить не только старшие 4 бита, но и еще несколько младших.
Подстройка двоичный весов - процедура достаточно простая (исправляет одновременно DNL и INL) и позволяет вывести линейность ЦАП вплоть до ограничения по тепловой стабильности: Инструкция калибровки.pdf

Однако, многие ЦАПы имеют сегментированную структуру старших разрядов с кол-вом сегментов обычно 8..16. Такое кол-во потенциометров уже не рационально.
Подстройку линейности в таком случае можно выполнять либо с помощью дополнительного калибровочного ЦАП. Либо, как предложил Сергей Агеев - суммируя погрешности в шум ноизшейпера. При этом, процедура калибровки для параллельного конвертера не всегда ограничивается сшивкой сегментов по DNL погрешности. А иногда разбивается на две процедуры: исправление DNL, и последующее исправление INL.

С ДС конвертерами ситуация иная: у них практически отсутствуют DNL погрешности, и калибровать нужно только INL.
Для примера можно рассмотреть INL ДС АЦП:

Графики INL для AD7760

[свернуть]

Суть калибровки в таком случае сводится к искривлению ХП (хар-ки преобразования) конвертера таким образом, чтобы скомпенсировать кривую INL. Если нелинейность гладкая, то ее можно исправлять линейной интерполяцией по нескольким точкам. Но в случае более кривой INL арифметика усложняется.
И в любом случае калибровка INL получается сложнее, т.к. в данной процедуре нет очевидных разрывов ф-ии, которые видны на осциллограмме. Исправлять INL можно либо анализируя спектр, либо автоматизировав процедуру с помощью прецизионного измерительного АЦП.

В заключение отмечу, что вопросы калибровки интересны не только в любительской сфере, но и в коммерческой, т.к. калибровка позволяют на любом, самом дешманском чипе сделать ультралинейный девайс.

Тематическая литература:

[Meta|_]

dortonyan,
спасибо, осознал

[dortonyan]

Meta|_, кстати, вы навели меня на еще одну мысль по калибровке.
Раз положительную DNL калибровать нельзя, то можно добавить аналоговую схему, которая будет делать гарантированно отрицательную DNL. Для этого нужно при каждой смене сегмента основного ЦАП в плюс делать вычитание тока на выходе ЦАП в минус.
Реализовать можно дополнительным ЦАП небольшой разрядности. Например, для калибровки 16 сегментов достаточно 4 бит вспомогательного ЦАПа, который можно сообразить на 595 логике, или даже прямо на плисине (высокая точность и стабильность для вспомогательного ЦАП не требуется).
А дальше, имея DNL гарантированно в минус, ее можно спокойно калибровать в цифре простой таблицей (без шейпера).
Единственное, что точность такой калибровки будет ограничена величиной DNL младших разрядов основного ЦАП.