本发明设计了一种高精度数模转换器的工厂校准系统及校准方法，属于数模转换器技术领域。
背景技术：
近年来，高速通讯系统的需求不断增长，作为数字世界和模拟世界的接口模块数模转换器也变得越来越重要。由于该模块决定了整个系统的精度和速度，因此，通讯及遥感遥测系统对高速高精度数模转换器有着迫切的需求。
数模转换器设计的两个重要问题是线性度和分辨率。dac电路中不同元件的匹配是保证器件的线性度的重要基础，但是随着集成电路工艺尺寸的缩小，dac元件的尺寸匹配变得极其困难。
采用高位温度计码与低位二进制码相结合的结构是提高高精度数模转换器线性度很好的方法。对于高位的温度计码，元件都是相同的尺寸，这样元件匹配比二进制情况要简单得多,但是依然不能完全解决数模转换器电路中元件不匹配带来的线性度不高的问题。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度数模转换器的工厂校准系统及校准方法，能够有效提高数模转换器的线性度。
本发明的技术解决方案是：一种高精度数模转换器工厂校准系统，包括电源、待校准dac评估板、上位机、万用表、usb转gpib控制器、usb转并口控制器以及并口转spi控制器；待校准dac评估板包括基准源电路、晶振、继电器以及fpga电路；
电源用于为待校准dac评估板供电，待校准dac芯片置于待校准dac评估板上，晶振与待校准dac芯片连接，用于为待校准dac芯片提供工作时钟；
上位机通过并口转spi控制器与待校准dac芯片连接，用于检测待校准dac芯片内部寄存器、校准寄存器读写功能是否正常，并能够配置待校准dac芯片的工作模式；
上位机通过usb转并口控制器与fpga电路输入端连接，fpga电路输出端与待校准dac芯片以及继电器连接，基准源电路的输出端与待校准dac芯片电压参考管脚连接，用于为待校准dac芯片提供基准电压，基准源电路的输出端和待校准dac芯片电压模拟输出端均与继电器的输入端连接，继电器的输出端与万用表连接；
所述上位机能够控制fpga电路向待校准dac芯片写入数据，并通过fpga电路控制继电器实现万用表测量基准源电路输出电压或待校准dac芯片的输出电压，所述待校准dac芯片的输出电压包括待校准dac芯片输出的偏置电压和每一路msb的实际输出电压；上位机通过usb转gpib控制器与万用表连接，接收万用表发送的基准源电路输出电压和待校准dac芯片的输出电压，得到待校准dac芯片的校准码，据此对待校准dac芯片进行校准，并判定校准效果。
所述上位机得到待校准dac芯片校准码的实现方法如下：
(2.1)上位机计算每一路msb的理想输出电压值msbideal；
(2.2)根据每一路msb的实际输出电压和理想输出电压，计算每一路msb校准码的模拟值；
(2.3)将每一路msb校准码的模拟值转化成二进制码，得到每一路msb的校准码；
(2.4)通过并口转spi控制器将第i路msb的校准码写入第i个校准寄存器，实现对待校准dac芯片的校准，所述msb的总路数n与校准寄存器总个数相同。
所述步骤(2.1)中，上位机利用如下公式计算每一路msb的理想输出电压值msbideal：
其中vlsb为待校准dac芯片最低有效位电压，voffset为待校准dac芯片输出的偏置电压。
所述步骤(2.2)中利用如下公式计算第i路msb校准码的模拟值vadjust-i：
vadjust-i＝4(msbactual-i-msbideal)/vlsb，
其中msbactual-i为第i路msb的实际输出电压，vlsb为待校准dac芯片最低有效位电压。
利用如下公式得到待校准dac芯片最低有效位电压vlsb：
vlsb＝基准源电路输出电压/2n-1,n为待校准dac芯片位数。
上位机判定校准效果的方法如下：
上位机计算待校准dac芯片校准后的差分非线性dnl和积分非线性inl，如果dnl和inl满足预先设计的范围，则判定校准效果满足要求，否则不满足要求。
所述基准源电路的温度系数不超过10ppm/℃。
基于所述高精度数模转换器工厂校准系统的校准方法，包括如下步骤：
(1)将待校准dac芯片安装在待校准dac评估板上，系统连接无误后，上电；
(2)上位机通过并口转spi控制器向待校准dac芯片内部寄存器写入数据并读出，测试其内部寄存器读写功能是否正常，如果正常，进入步骤(3)，否则校准结束；
(3)上位机通过并口转spi控制器将待校准dac芯片输入设置为unsigned编码格式；
(4)上位机通过并口转spi控制器禁用待校准dac芯片内部基准源；
(5)上位机按照待校准dac芯片校准寄存器地址从1到n的顺序，通过并口转spi控制器逐次向每个校准寄存器写入数据并读出，测试每个校准寄存器读写功能是否正常，如果n个校准寄存器读写功能均正常，则进入步骤(6)，有一个校准寄存器读写功能不正常，则校准结束；n为校准寄存器的总个数；
(6)上位机通过usb转并口控制器向fpga输入基准源电路切换信号，fpga根据该切换信号控制继电器切换万用表的测量通路，使万用表测量基准源电路输出电压，重复测量多次取平均值，并通过usb转gpib控制器将其输出给上位机；
(7)上位机通过usb转并口控制器控制fpga为待校准dac芯片dac提供全0输入；
(8)上位机通过usb转并口控制器向fpga输入dac芯片切换信号，fpga根据该切换信号控制继电器切换万用表的测量通路，使万用表测量待校准dac芯片的偏置电压，重复测量多次取平均值，得到待校准dac芯片偏置电压voffset，并通过usb转gpib控制器将其输出给上位机；
(9)上位机通过并口转spi控制器控制待校准dac芯片进入校准模式，万用表读取待校准dac芯片每一路msb的实际输出电压值，并通过usb转gpib控制器将其输出给上位机，所述msb共有n路；
(10)上位机根据基准源电路输出电压、待校准dac芯片偏置电压voffset以及每一路msb的实际输出电压值，计算待校准dac芯片的校准码，据此对待校准dac芯片进行校准；
(11)上位机判定校准效果，如果校准效果满足要求，则结束，否则重复步骤(9)-(10)，直到校准效果满足要求。
所述步骤(10)的实现方法如下：
(9.1)上位机利用如下公式计算每一路msb的理想输出电压值msbideal：
其中vlsb为待校准dac芯片最低有效位电压；
vlsb＝基准源电路输出电压/2n-1,n为待校准dac芯片位数；
(9.2)根据每一路msb的实际输出电压和理想输出电压，利用以下公式计算每一路msb校准码的模拟值：
vadjust-i＝4(msbactual-i-msbideal)/vlsb，
其中msbactual-i为第i路msb的实际输出电压；
(9.3)将每一路msb校准码的模拟值转化成二进制码，得到每一路msb的校准码；
(9.4)通过并口转spi控制器将第i路msb的校准码写入第i个校准寄存器，实现对待校准dac芯片的校准，所述msb的总路数n与校准寄存器总个数相同。
所述步骤(11)中上位机判定校准效果是否满足要求的方法如下：
上位机计算待校准dac芯片校准后的差分非线性dnl和积分非线性inl，如果dnl和inl满足预先设计的范围，则判定校准效果满足要求，否则判定校准效果不满足要求。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过设计数模转换器工厂校准系统及方法，填补了高精度数模转换器校准的空白，实现待校准dac芯片输出电压紧密跟随理想输出电压，降低元件不匹配带来的非线性缺陷，校准效果好，能够有效提高数模转换器的线性度。
(2)本发明上位机通过计算待校准dac芯片校准后的差分非线性dnl和积分非线性inl来判断校准效果是否满足要求，能够有效保证校准精度。
(3)相较于数模转换器内部自校准的方法，本发明工厂校准方法大大降低了用户的使用难度及数模转换器厂商的推广及技术支持难度。
附图说明
图1是本发明工厂校准系统结构示意图；
图2是本发明校准方法流程图。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供了一种高精度数模转换器的工厂校准系统，主要用于解决由于工艺技术限制所带来的电流源阵列失配引起的线性度差的问题。如图1所示，该校准系统包括电源、待校准dac评估板、上位机、万用表、usb转gpib控制器、usb转并口控制器、并口转spi控制器；待校准dac评估板包括高精度基准源电路、晶振、继电器和fpga电路。
电源用于为待校准dac评估板供电，待校准dac芯片置于待校准dac评估板上，晶振与待校准dac芯片连接，用于为待校准dac芯片提供工作时钟。
上位机通过并口转spi控制器与待校准dac芯片连接，用于检测待校准dac芯片内部寄存器、校准寄存器读写功能是否正常，并能够配置待校准dac芯片工作模式(上位机通过并口转spi控制器向特定寄存器写入特定码控制待校准dac芯片进入校准模式)；上位机通过usb转并口控制器与fpga电路输入端连接，fpga电路输出端与待校准dac芯片以及继电器连接，基准源电路的输出端与待校准dac芯片电压参考管脚连接，基准源电路的输出端和待校准dac芯片电压模拟输出端均与继电器的输入端连接，继电器的输出端与万用表连接，上位机能够控制fpga电路向待校准dac芯片写入数据，并通过fpga电路控制继电器切换万用表的测量通路(使万用表的测量对象在基准源电路和待校准dac芯片之间切换)；上位机通过usb转gpib控制器与万用表连接，接收万用表发送的基准源电路输出电压和待校准dac芯片的输出电压，得到待校准dac芯片的校准码，据此对待校准dac芯片进行校准，并判定校准效果。
万用表的位数和待校准dac芯片精度有关，本发明选用6.5位万用表。基准源电路的温度系数不超过10ppm/℃。
上位机得到待校准dac芯片校准码的实现方法如下：
(a)上位机利用如下公式计算每一路msb的理想输出电压值msbideal：
其中vlsb为待校准dac芯片最低有效位电压；
vlsb＝基准源电路输出电压/2n-1,n为待校准dac芯片位数；
(b)根据每一路msb的实际输出电压和理想输出电压，利用以下公式计算每一路msb校准码的模拟值：
vadjust-i＝4(msbactual-i-msbideal)/vlsb，
其中msbactual-i为第i路msb的实际输出电压；
(c)将每一路msb校准码的模拟值转化成二进制码，得到每一路msb的校准码；
(d)通过并口转spi控制器将第i路msb的校准码写入第i个校准寄存器，实现对待校准dac芯片的校准，所述msb的总路数n与校准寄存器总个数相同。
上位机判定校准效果的方法如下：
上位机计算待校准dac芯片校准后的差分非线性dnl和积分非线性inl，如果dnl和inl满足预先设计的范围，则判定校准效果满足要求，否则判定校准效果不满足要求。
图2所示为待校准dac芯片的校准流程图，具体方法如下
(1)将待校准dac芯片安装在待校准dac评估板上，系统连接无误后，上电，实现待校准dac芯片电路复位。
(2)上位机通过并口转spi控制器向待校准dac芯片内部寄存器写入数据并读出，测试其内部寄存器读写功能是否正常，如果正常，进入步骤(3)，否则校准结束；
(3)上位机通过并口转spi控制器将待校准dac芯片输入设置为unsigned编码格式；
(4)上位机通过并口转spi控制器禁用dac电路内部基准源；
(5)上位机按照待校准dac芯片校准寄存器地址从1到n的顺序，通过并口转spi控制器逐次向每个校准寄存器写入数据并读出，测试每个校准寄存器读写功能是否正常，如果n个校准寄存器读写功能均正常，则进入步骤(6)，有一个校准寄存器读写功能不正常，则校准结束；n为校准寄存器的总个数，n＝2m-1,m为dac中温度计码的位数；
(6)上位机通过usb转并口控制器向fpga输入基准源电路切换信号，fpga根据该切换信号控制继电器切换万用表的测量通路，使万用表测量基准源电路输出电压，重复测量多次取平均值，并通过usb转gpib控制器将其输出给上位机；
上位机根据基准源电路输出电压得到待校准dac芯片最低有效位电压vlsb，公式如下：vlsb＝基准源电路输出电压/2n-1,n为待校准dac芯片位数。
(7)上位机通过usb转并口控制器控制fpga为待校准dac芯片dac提供全0输入；
(8)上位机通过usb转并口控制器向fpga输入dac芯片切换信号，fpga根据该切换信号控制继电器切换万用表的测量通路，使万用表测量待校准dac芯片的偏置电压，重复测量多次取平均值，得到待校准dac芯片偏置电压voffset，通过usb转gpib控制器将其输出给上位机；
(9)上位机通过并口转spi控制器控制待校准dac芯片进入校准模式，万用表读取待校准dac芯片每一路msb的实际输出电压值，并通过usb转gpib控制器将其输出给上位机，msb共有n路；
(10)上位机根据基准源电路输出电压、待校准dac芯片偏置电压voffset以及每一路msb的实际输出电压值，计算待校准dac芯片的校准码，据此对待校准dac芯片进行校准；
(11)上位机判定校准效果，即计算待校准dac芯片校准后的差分非线性dnl和积分非线性inl，如果dnl和inl满足预先设计的范围，则判定校准效果满足要求，否则重复步骤(9)-(10)，直到dnl和inl满足预先设计的范围。
本发明填补了高精度数模转换器校准的空白，校准效果好，经济实惠，易于实现，容易扩展。相较于数模转换器内部自校准的方法，工厂校准方法大大降低了用户的使用难度及数模转换器厂商的推广及技术支持难度。
实施例：
以16位400msps，高7位温度计码、低9位二进制码结构的电流型dac为待校准dac芯片为例，要求dac的静态参数inl<5lsb和dnl<3.5lsb。本发明的具体实施过程如下：
将待校准的16位400mspsdac置于评估板上，电源为5v，晶振为125mhz，用于为dac提供工作时钟，外部基准源电路提供的电压vref为1.25v，万用表选用6.5位万用表。上位机通过并口转spi控制器向dac的内部寄存器写入00h,ffh，检测寄存器读写是否正常。读写正常后，上位机设置相应寄存器，将dac的编码模式设置为unsigned，使用外部基准源电路。
本实施例中，共有127个校准寄存器，上位机依次向127路校准寄存器写入00h、ffh来逐个检测校准寄存器是否正常工作。
当校准寄存器都正常工作后，上位机通过usb转并口控制器，使fpga产生切换信号，控制继电器切换6.5位万用表的测量对象为外部基准源电路，测量15次取平均值，得到基准源电路输出电压，进一步计算得到dac最低有效位电压vlsb，vlsb＝vref/65536。上位机控制fpga为dac提供全零的输入信号，并控制继电器将6.5位万用表的测量对象切换为dac输出。重复测量10次取平均值得到dac的偏置电压voffset。每一路msb的理想输出电压为
最后计算校准后dac的静态参数inl和dnl，发现inl和dnl分别从校准前的10lsb和7lsb提高到了4.5lsb和3lsb。满足校准要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。