随着现代通信技术的快速发展,高精度数模转换器(Digital-to-analog Converter,DAC)被广泛应用于工业、国防和科研等各个领域。在计量领域,良好的DAC静态特性对直流电压基准的传递起着非常重要的作用。目前,美国国家标准和技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)及中国计量科学研究院(National Institute of Metrology,NIM)已经建立了DAC静态特性测量标准装置,但测量系统的体积庞大、成本较高,研发一种校准速度快、体积小、成本低的高精度DAC静态特性校准系统具有十分重要的意义。本文主要针对现有高精度静态特性校准系统体积庞大且昂贵,且无法适应高压环境的难题,提出了一种基于内设标准的差分校准方法。首先,本文对系统的测量方式进行了详细的分析,选用微差式测量法,极大的降低了参考源误差,也降低了对测量电压表的线性度及共模抑制比的要求。其次,本文以国际上通常采用的内设标准测量方法为基础,设计了一套以高精度直流电压比例自校准系统为内设标准的DAC静态特性校准系统。该系统通过Cutkosky分压器与商用DAC模块组合,通过自校准保证系统精度,同时提高了系统的分辨率。同时提出一种新型的组合跟随器结构以及组合加法器结构,理论上可将环路增益误差与共模误差降低到10数量级。本文设计的DAC校准方法具有以下优点:(1)本文提出了一种新型10:1比例自校准结构,该结构通过级联的方法,实现了1000:1高精度电压比例输出,从而在理论上实现最高至1000 V的DAC静态特性校准,使得该系统可在高压量值基准传递工作中发挥作用;(2)相较于国际先进DAC静态特性校准方法,本文实现了校准设备的小型化和便携化,整体系统置于标准4U机箱中。同时实现了校准设备的低成本化,本文提出的作为标准的高精度直流电压比例自校准系统成本低于2万元。此外,本文对系统中的误差进行了详细的分析,并通过实际测试进行验证。结果显示,该系统分辨率为27位,有效位数为21位,失调误差(Offset Error,OE)优于0.3 LSB(Least Significant Bit,LSB),增益误差(Gain Error,GE)优于1 ppm FSR(Full Scale Range,FSR),积分非线性(Integral Nonlinearity,INL)优于0.5 LSB,对直流电压基准的传递工作有着非常重要的作用。
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