KR200359926Y1 - The DAC Output Correction Circuit - Google Patents
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Abstract
본 고안은 디지털회로에서 아나로그 출력을 내기위해 사용하는 디지털-아나로그 변환기의 출력오차를 보상하기위한 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a circuit for compensating the output error of a digital-analog converter used for producing an analog output in a digital circuit.
이를 위하여 디지털-아나로그 변환기의 비선형 출력특성을 부분적으로 선형화하는 방법을 제시하였다.For this purpose, a method of partially linearizing the nonlinear output characteristics of a digital-analog converter is presented.
새로 고안된 방식은 디지털-아나로그 변환기의 비선형 출력 구간을 여러 개의 작은 구간으로 나누어 선형화를 하고, 이로부터 얻어진 방정식을 디지털-아나로그 변환기의 출력에 반영 시켜 출력 정밀도를 향상 시킨다.The newly designed method linearizes the nonlinear output section of the digital-analog converter by dividing it into several smaller sections, and improves the output precision by reflecting the equation obtained from the digital-analog converter.
본 고안은 목표로 하는 디지털-아나로그 변환기 출력정밀도에 대하여, 회로구현 방법, 선형화 방법 및 절차, 선형화 구간을 나누는 방법, 출력정밀도의 평가 방법을 수학적 접근을 통하여 정량화 하고 이를 바탕으로 오차보상회로를 구현한 것에 그 특징이 있다.The present invention quantifies the circuit implementation method, linearization method and procedure, dividing linearization section, and evaluation method of output precision for the target digital-to-analog converter output precision. The implementation has that feature.
Description
본 고안은 디지털 전자회로에서 아나로그 신호를 출력하기 위해 사용하는 디지털-아나로그 변환기(이하 DAC라 칭함)의 비선형 오차를 보정하여 고정밀도의 출력을 얻는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of obtaining a high-precision output by correcting the nonlinear error of a digital-analog converter (hereinafter referred to as DAC) used to output an analog signal in a digital electronic circuit.
DAC의 출력 특성은 이상적인 경우 도1의 10과 같이 일차 함수적인 선형성을 보이나, 일반적인 DAC의 출력특성은 도2의 21과 같이 선형성을 갖지 못한다.In the ideal case, the output characteristic of the DAC is linearly linear as shown in FIG. 1, but the output characteristic of a general DAC does not have linearity as shown in FIG. 2.
DAC가 선형성을 갖지 못하면 도2의 31에서 보는 바와 같이 DAC입력에 대한 오차가 항상 일정 수준으로 존재하게 된다.If the DAC does not have linearity, as shown in FIG. 31, the error for the DAC input always exists at a constant level.
DAC의 출력오차는 DAC의 구조상 불가피하기 때문에 DAC를 사용하는 회로 설계를 위해서는 요구되는 정밀도를 감안하여 DAC를 선택하는 것이 일반적인 설계방법이다.Since the output error of the DAC is inevitable in the structure of the DAC, it is a general design method to select the DAC in consideration of the required precision for the circuit design using the DAC.
하지만, DAC의 가격은 DAC의 정밀도에 비례하여 비싸지기 때문에, 무조건 고정밀도 출력을 얻기 위하여 고정밀도 출력을 내는 DAC를 사용하기에는 회로구성에 원가부담이 될 수 도있다.However, since the price of the DAC is expensive in proportion to the precision of the DAC, it may be a cost burden for the circuit configuration to use a DAC that produces a high-precision output to obtain a high-precision output unconditionally.
만약, 저정밀도를 갖지만 저가인 DAC를 사용하여 고정밀도의 출력을 얻을 수 있다면 이 방법은 매우 유효하게 사용될 것이다.If a low-precision but low-cost DAC can be used to obtain a high-precision output, this method will work very well.
기존 오차보정 방법으로는 DAC의 출력 전 범위에 걸쳐 출력오차를 측정하고 이 오차를 메모리에 저장하여 DAC출력시 반영하는 참조테이블(Lookup Table) 보상방법이 사용되고 있다.Conventional error correction method uses a lookup table compensation method that measures the output error over the entire range of the output of the DAC and stores this error in memory to reflect the DAC output.
이 방법은 DAC 출력 전범위에 걸쳐 오차정보 모두를 메모리에 저장하기 때문에 과도한 메모리용량이 요구 된다.This method requires excessive memory capacity because all error information is stored in memory over the entire DAC output range.
만약, n비트의 DAC에 대하여 필요한 메모리 용량은 수학식1 로부터 계산될수 있다.If, for the n-bit DAC, the required memory capacity can be calculated from Equation 1.
예를들면, 16비트의 DAC에 대하여 오차 보정표를 만들기 위해 필요한 메모리 용량을 계산하면, 213×16= 131.072바이트 가 된다.For example, calculating the memory capacity needed to create an error correction table for a 16-bit DAC would yield 2 13 x 16 = 131.072 bytes.
이 방법은 비록 높은 출력 정밀도를 얻을 수 있으나, DAC의 비트수가 클수록 과도한 메모리가 필요하게 되므로 오차 보상회로가 복잡해지고, 회로 구성단가가 높아진다.Although this method can achieve a high output accuracy, the larger the number of bits in the DAC, the more memory is required, and the error compensating circuit becomes complicated and the circuit construction cost increases.
본 고안은 임의의 출력오차를 가지는 DAC를 사용하여 DAC가 가진 정밀도 보다 더 높은 출력 정밀도를 낼 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method that can output a higher output precision than the precision of the DAC using a DAC having an arbitrary output error.
이를 위해 DAC출력의 비선형성을 선형화 할 수 있는 최적의 선형화 구간과 횟수의 결정을 위한 정량적 방법을 제시하고, 그 선택의 유효성을 평가,검증하기 위한 절차 및 방법을 마련하는 것이 본 고안의 기술적 과제임.To this end, it is necessary to present a quantitative method for determining the optimal linearization interval and the number of times to linearize the nonlinearity of the DAC output, and to provide a procedure and method for evaluating and validating the selection. being.
제1도 이상적인 디지탈-아나로그 변환기의 출력특성 곡선Figure 1 Output Characteristic Curves of an Ideal Digital-to-Analog Converter
제2도 일반적인 디지털-아나로그 변환기의 출력특성 곡선Figure 2: Output Characteristic Curves of a Typical Digital-to-Analog Converter
제3도 디지탈-아나로그 변환기의 입력 대 오차 특성곡선Figure 3: Input-to-Error Characteristic Curves of Digital-to-Analog Converters
제4도 디지털-아나로그 변환기의 오차 선형화 과정Figure 4 Error Linearization Process of Digital-to-Analog Converter
제5도 디지털-아나로그 변환기의 오차 보정 구성도Figure 5 Error Correction Diagram of Digital-to-Analog Converter
제6도 디지털-아나로그 변환기의 구간별 오차보정 곡선Fig. 6 Error Compensation Curve of Each Section of Digital-to-Analog Converter
제7도 오차 보정후 잔류오차 계산도Figure 7 Residual Error Calculation after Error Correction
제8도 오차 재보정도Figure 8 Error Recalibration
제9도 목표오차 대 재보정 횟수 그래프Fig. 9 Target Error vs. Recalibration Graph
제10도 디지털-아나로그 변환기의 오차보정 순서도Figure 10 Error Correction Flowchart of Digital-to-Analog Converter
제11도 본 고안에 따른 DAC출력오차 교정 회로도11 is a circuit diagram of a DAC output error correction according to the present invention
도4의 40-1은 일반적인 DAC의 지령치(입력) 대 출력오차의 관계를 표시하였다. 또한 이 곡선으로부터 지령치의 대한 오차의 변화율을 구하면 도4의 41-1과같이 표시 할 수 있다.40-1 of FIG. 4 shows a relationship between a command value (input) and an output error of a general DAC. If the rate of change of the error with respect to the command value is obtained from this curve, it can be displayed as shown in 41-1 of FIG.
이 곡선 으로부터 출력 오차가 최대인 점41-3,41-5,41-7,41-8,41-10과 출격오차가 최소인 점 41-2,41-4,41-6,41-9, 41-11을 얻을 수 있다.From this curve, the point with the largest output error 41-3,41-5,41-7,41-8,41-10 and the point with the minimum sortie error 41-2,41-4,41-6,41-9 , 41-11.
이 점들을 이용하여 도4의 42-1,42-2,42-3,42-4,42-5,42-6,42-7,42-8,42-9와같이 직선을 그을 수 있다.These points can be used to draw a straight line as shown in 42-1, 42-2, 42-3, 42-4, 42-5, 42-6, 42-7, 42-8, 42-9 of FIG. .
만약 이 직선의 특성에 따라 DAC가 출력을 내면, DAC는 점근적인 선형 출력을 낸다고 할 수 있다.If the DAC produces an output according to the characteristics of this straight line, the DAC produces an asymptotic linear output.
각 구간에 대해 직선 방정식은 다음과 같이 표시 할 수 있다.The linear equation for each section can be expressed as follows.
도4의 40-1에서 지령치의 구간(x축)의 임의의 값을 x라 하고 그 지령치에 따른 출력오차를 e라 하고, X의 함수로 표현 할 수 있다.In FIG. 4-1 of FIG. 4, an arbitrary value of a section of the setpoint (x-axis) may be referred to as x, and an output error according to the setpoint may be referred to as e and expressed as a function of X.
(여기서 E는 선형구간의 오차방정식)(E is the error equation of linear section)
수학식2 로부터 오차의 변화율의 부호가 바뀌는 구간 p0~p9 점의 오차의 크기를 다음과 같이 정의하자.(P7~p9는 생략함)From Equation 2, define the magnitude of the error of the points p0 to p9 where the sign of the rate of change of the error is changed as follows (P7 to p9 are omitted).
구간 p0,p1,p2,p3,p4,p5,p6에 대한 오차 값 e0,e1,e2,e3,e4,e5,e6을 직선으로 연결하면 도4의 42-1,42-2,42-3(이하 생략)와 같이 직선을 얻을 수 있다. 이 직선의 방정식은 각각 수학식3 같이 표현할 수 있다.If the error values e0, e1, e2, e3, e4, e5, e6 are connected in a straight line for the intervals p0, p1, p2, p3, p4, p5, and p6, 42-1, 42-2, 42-3 in FIG. A straight line can be obtained as shown below. The equations of these straight lines can each be expressed as equation (3).
여기서 k1~k6는 일차방정식의 기울기로 수학식4와 같이 계산된다.Where k1 to k6 are calculated as Equation 4 as the slope of the first equation.
따라서 지령치가 주어지면 이에 따라 보상해야 할 오차 값을 구할 수 있게 된다.Therefore, given the setpoint, the error value to be compensated accordingly can be obtained.
또 보상할 값은 일차방정식의 기울기가 되므로 하나의 보상구간에 대하여 하나의 데이터만 필요로 하게 된다.In addition, since the value to be compensated is the slope of the linear equation, only one data is needed for one compensation interval.
위의 수학식4를 사용하여 다음과 같이 DAC의 출력 오차를 보정 할 수 있다Using Equation 4 above, the output error of the DAC can be corrected as follows.
도5의 CPU(50)의 지령 값 을 x 라 하고,실제 아나로그 출력 값을 A(x), 테이블(51)에 저장된 보정 값 을 S(x), 보정 후 출력 값을 F(x)라 하면 수학식5와 같이 쓸 수 있다.The command value of the CPU 50 in Fig. 5 is x, the actual analog output value is A (x), the correction value stored in the table 51 is S (x), and the output value after correction is F (x). Can be written as in Equation 5.
보정효과는 다음방법으로 확인 할 수 있다.Correction effect can be confirmed by the following method.
먼저 도6과 같이 보정구간 하나에 대하여 살펴보면, 오차 보정이 되지 않은 출력은 도6 의60과 같이 2차 함수의 근사식으로 나타낼 수 있다. 또, 이 구간(p1-p0)에 대한 보정곡선은 도6의61로나타낼 수 있다.First, referring to one correction section as shown in FIG. 6, the output without error correction is a quadratic function as shown in 60 of FIG. 6. It can be expressed as an approximation of. The correction curve for this section p1-p0 is 61 in FIG. Can be represented.
여기서 here
p0,s0은 각각 p1,s1에 대한 기준값이므로 s0,p0을 0로 하면, 계수a,b는 다음과 같이 간략화 할 수 있다.Since p0 and s0 are reference values for p1 and s1, respectively, if s0 and p0 are 0, the coefficients a and b can be simplified as follows.
오차 보상 전 구간 p0-p1에서 발생하는 오차의 총합(e)은 수학식6 같이 구할 수 있다.The sum (e) of errors occurring in the entire error compensation interval p0-p1 may be obtained as shown in Equation 6.
도5로부터 보정할 수 있는 오차의 총량(f)은 수학식7과 같이 구할 수 있다.The total amount f of errors that can be corrected from FIG. 5 can be obtained as shown in Equation (7).
오차 보정 후 나머지 잔류오차(E)는 수학식8과 같이 계산할 수 있다. 또한 구간 p0-p1에서 평균 오차(Eavr)는 수학식9와 같다.The remaining residual error E may be calculated as shown in Equation 8 after the error correction. In addition, the mean error Eavr in the interval p0-p1 is expressed by Equation 9.
오차의 교정효과는 교정 전에 비하여 수학식10과 같이 개선된다.The correction effect of the error is improved as in Equation 10 compared to before the correction.
즉, 본 고안에서 기술된 방법으로 오차교정을 하였을 경우 교정전보다 교정구간내에서 평균오차가 75% 감소함을 알 수 있다.That is, when the error correction by the method described in the present invention it can be seen that the average error is reduced by 75% within the calibration interval than before the calibration.
오차 보정 후에도 존재하는 잔류오차는 다음과 같이 구할수 있다.The residual error that exists even after the error correction can be obtained as follows.
선택한 구간에서 오차 수학식 f(x)는 수학식11과 같다.The error equation f (x) in the selected section is expressed by Equation 11.
만약, 구간에서가 최대값을 가지면이 되므로,If, in Has a maximum value This becomes
수학식12와 같이 쓸 수있다.It can be written as Equation 12.
수학식 12를 풀면 수학식13과 같은 과정을 거쳐의 식을 유도할 수 있다.Solving Equation 12 goes through the same process as Equation 13. Can be derived.
즉, 보정 후 잔류 오차의 최대값(Emax)이 발생 하는 점(Pmax)은 보정 구간의 정중앙임을 표시한다.That is, the point Pmax at which the maximum value Emax of the residual error occurs after correction indicates that it is the center of the correction section.
또 이때 최대 오차는 수학식14와 같이 나타낼 수 있다.In this case, the maximum error may be expressed as shown in Equation 14.
임의의 보정구간에 대하여 보정전 최대오차를 s1, 보정후 최대 잔류오차를 Emax, 교정후 목표 오차를 w라 하면 다음 수학식 15를 만족하여야 한다.Arbitrary Calibration Section For the maximum error before correction as s1, the maximum residual error after correction as Emax, and the target error after correction as w, the following equation (15) must be satisfied.
만약, 수학식15를 만족하게 되면 오차의 재 보정은 필요가 없다.If Equation 15 is satisfied, there is no need to recorrect the error.
하지만, 위 조건을 만족할 수 없다면 구간 p0-Pmax 사이에 또 하나의 직선을 그어서 재 보정 작업이 필요하게 된다.However, if the above conditions cannot be satisfied, another straight line is drawn between the intervals p0-Pmax and recalibration is required.
만약 수학식15을 만족시키지 못하여 n회의 재 보정 작업이 필요하다면, 이때 사용될 1차 방정식은 수학식16과 같이 표현 할 수 있다.If n does not satisfy Equation 15 and needs to be recalibrated n times, the first-order equation to be used can be expressed as Equation 16.
수학식15로부터 만약, 목표오차가 주어 졌다면, 재 보정해야 하는 횟수는 수학식17과 같이 구할 수 있다.From Equation 15, if the target error is given, the number of times to be corrected can be obtained as in Equation 17.
본 고안의 DAC의 출력오차 교정은 도9의 절차를 거쳐 수행한다.The output error calibration of the DAC of the present invention is performed by the procedure of FIG.
도2와 같이 DAC에 전 범위에 걸쳐 입력을 가하고 도10의 흐름도에 표시한 바와 같이 그 출력을 측정하여 입력 대 출력 특성곡선을 만든다(100)As shown in FIG. 2, an input is applied to the DAC over the entire range, and the output is measured as shown in the flowchart of FIG. 10 to generate an input-to-output characteristic curve (100).
이 특성 곡선을 바탕으로 입력에 대한 오차 변화율을 구하여(101) 오차보정구간을 설정한다(102).Based on this characteristic curve, an error rate of change with respect to the input is obtained (101), and an error correction section is set (102).
구간별로 방정식의 계수를 구하고(103), 각 구간별 최대오차를 계산한다(104). 만약 최대 오차가 목표오차 보다 크면 목표 오차보다 적어질 때까지 오차 재보정(105)작업을 한다.The coefficient of the equation is calculated for each section (103), and the maximum error for each section is calculated (104). If the maximum error is larger than the target error, the error recalibration 105 is performed until the target error is smaller than the target error.
보정작업이 완료되면 보정작업으로부터 얻은 방정식의 계수를 ROM(Read Only Memory)등과 같은 비 휘발성메모리에 저장한다.When the calibration is completed, the coefficients of the equations obtained from the calibration are stored in non-volatile memory such as ROM (Read Only Memory).
도11은 본 고안에 따른 DAC출력오차 교정회로로, 앞에서 기술한 수식으로 유도된정량화 방법을 회로적으로 구현하였다.마이크로프로세서가 아나로그 출력을 내기위해 DAC에 데이터를 전송하게 되면, 도11의 랫치들(110,111)에 전송되는 데이터가 임시로 저장되며, 저장된 데이터의 크기에따라 도11의 비휘발성 메모리(114)로부터 DAC출력오차 교정데이타를 자동적으로 출력하게된다.출력된 교정데이타는 8비트 크기의 데이터로 데이터의 MSB(Most Significant Bit)는 부호(Sign)정보를 가지고 있다.가산기(113)은 비휘발성 메모리로부터 출력된 교정데이타와 랫치들(110,111)에 저장되어있는 원래의 데이터를 가,감산하여 교정된 데이터를 DAC에 출력한다.따라서 DAC의 출력교정은 마이크로프로세서의 한번의 쓰기동작(Write Cycle)에 자동적으로 이루어 질수 있다.본 고안의 회로를 구성하는 소자는 일반적으로 많이 사용한 논리소자들도 저렴한 가격에 쉽게 구할 수 있는 것 들이며, 최근에 많이 사용하고 있는 PLD(Programmable Logic Device)를 사용할 경우 회로가 하나의 Chip으로 구현할 수 있다.Fig. 11 is a circuit for correcting a DAC output error according to the present invention, and a circuit implementation of the quantification method derived by the above-described formula. When the microprocessor transmits data to the DAC to produce an analog output, Data transmitted to the latches 110 and 111 is temporarily stored, and automatically outputs the DAC output error correction data from the nonvolatile memory 114 of FIG. 11 according to the size of the stored data. The output correction data is 8 bits. The MSB (Most Significant Bit) of the data has sign information. The adder 113 adds the calibration data output from the nonvolatile memory and the original data stored in the latches 110 and 111. The subtracted data is then output to the DAC. Therefore, the output calibration of the DAC can be done automatically in one write cycle of the microprocessor. Elements constituting the deulyimyeo in general will be a lot easier to get an affordable price logic elements used, the circuit can be implemented in a single Chip If you are using a PLD (Programmable Logic Device) that is widely used in recent years.
본 고안으로 원하는 아나로그 출력 정밀도를 낼 수 없는 DAC를 사용하여 사용자가 원하는 정밀도를 충분히 얻을 수 있도록 하였다.With this design, we can get enough desired accuracy by using DAC that can't produce the desired analog output precision.
본 고안을 사용하게 되면 기존의 DAC의 출력 정밀도에 대하여 최소한 평균 정밀도를 75% 향상 시킬 수 있다. 또한, 본 고안에서 제시한 재보정 횟수 및 평가방법에 의하여, 사용할 DAC의 출력 정밀도에 대한 예측이 가능하게 됐다.By using the present invention, the average accuracy can be improved by at least 75% with respect to the output precision of the existing DAC. In addition, it is possible to predict the output precision of the DAC to be used by the number of recalibrations and the evaluation method proposed in the present invention.
본 고안을 이용함으로서 저가,저정밀도의 DAC로 고정밀도의 출력을 낼 수 있으므로 DAC가 대규모로 사용되는 산업용 전자 제어장치분야에서 많은 원가절감 및 시스템의 신뢰성을 높일수 있다.By using the present invention, high-precision output can be produced by low-cost, low-precision DAC, which can reduce the cost and increase the reliability of the system in the field of industrial electronic control devices in which the DAC is used on a large scale.
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KR20-2004-0004547U KR200359926Y1 (en) | 2004-02-18 | 2004-02-18 | The DAC Output Correction Circuit |
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