在瞄准确度有很高请求的行业里，七位半或更高辨别率的数字 万用表会被应用，这些DMM采取由分破元器件搭建的多斜 率积分ADC。这些ADC固然能够供给公道正确度的丈量成果，但对年夜少数工程师来说，其计划跟调试进程每每过于庞杂，因而很多工程师会抉择商用ADC来简化计划 。本文援用地点：在从前的十年里，24位Σ-Δ ADC被普遍利用于六位半DMM计划中。 但是，要想实现七位半正确度跟线性度，就必需应用更高机能的ADC。别的，基准电压成绩也带来了挑衅，深埋型齐纳二极管基准电压源须要庞杂的外部旌旗灯号调节电路来实现超高温度漂移。这些情形也实用于其余种种有高正确度需要的利用，比方三相 尺度表、现场仪表校准器、高正确度数据收罗(DAQ)体系、试验 室电子秤、地动物探仪以及主动测试装备(ATE)中的源表(SMU)/功率丈量单位(PMU)。本文将先容由低INL SAR ADC、选集成式超高温漂精细基准电压 源、四通道婚配电阻收集跟零漂移低噪声缩小器构成的高正确度旌旗灯号链处理计划。咱们会供给多少重要指标的现实丈量结 果，并探讨多少个典范利用供读者参考。处理计划跟评价体系简介起首，输入旌旗灯号经由EMI滤波器停止差模跟共模滤波。而后，旌旗灯号进入AFE旌旗灯号调节电路，以转换到ADC输入范畴内。该AFE电路可确保实现超高温度漂移、超低噪声跟正确增益，并能很好地驱动SAR ADC。为保证体系正确度跟温度漂移特征，采取ADI公司的恒温把持精细基准电压源 ADR1001来为ADC供给5 V基准电压，并为AFE电路供给2.5 V共模电压。模数转换器选用了ADI最新的兼具低INL跟高辨别率的SAR ADC AD4630-24。把持板从ADC网络数据，并将其传输到PC。ADI EVAL-AD4630-24 的ACE软件可用于设置AD4630（采样速度、ADC通道、收罗形式）以及剖析ADC数据。图2-1. 七位半高正确度旌旗灯号链板图2-2为评价体系框图。旌旗灯号由直流源发生后，送入旌旗灯号链板，把持板担任收罗数据并将其经由过程USB传递到PC。图2-2. 评价体系框图图2-3为八位半DMM测得的直流源线性度曲线。DMM的读取速度设置为500 PLC（工频周期）。停止2点校准打消掉调偏差跟增益偏差后，直流源与DMM总的线性偏差在±0.1 ppm范畴内，标明直流源机能优良。该直流源可用于评价七位半高正确度旌旗灯号链的机能。图2-3. 直流源+八位半DMM的线性度测试成果为了片面评价旌旗灯号链板的机能，测试分四步停止：噪声测试、线性度测试、温漂(TC)测试跟24小时正确度测试。评价旌旗灯号链板机能的初始步调是测试其噪声特征，为后续测试奠基基本。由于当体系噪声降低时，可能招致丈量的线性度跟正确度产生稍微变更，形成团体机能降落。咱们共丈量了四块板，此中两块板的AFE电路采取ADI公司的 ADA4522,别的两块板采取 ADA4523-1。详细试验设置如下：电路板的两个输入引脚短接到地。ADC的采样速度设置为62.5 kHz或1 MHz，ADC的均值存放器设置为4096或65536。终极输出速度牢固在15 Hz。取三个样本的均匀值失掉一个数据点，读取速度为5 Hz、10 PLC。统共网络50个数据点来盘算无效值噪声。ADR1001用作本次试验的基准电压源。表2-1为四块板的实测噪声。ADA4523-1板的噪声低于ADA4522板。在 62.5 kHz FS下，ADA4523-1板的噪声约为500 nV rms，即0.05 ppm噪声(500 nV rms/10 V)。假如进步采样速度（比方1 MHz，约为62.5 kHz的16倍），并将输出速度坚持在15 Hz稳定，噪声程度能够下降到大略四分之一。这与过采样实践的道理分歧。表2-1. 差别 FS下测得的噪声成果图2-4为输入变更时板3、板4的无效值噪声，此时读取速度为10 PLC (FS = 1 MHz).如橙色曲线所示，ADA4523-1板的噪声较低。两条曲线标明，总无效值噪声会跟着输入旌旗灯号的增添而增添。这可能是由以下两个起因形成的：(1)跟着输入 (VIN) 的进步， VIN/VREF比率增年夜，招致 VREF 噪声对团体体系噪声的奉献更年夜；(2)输入旌旗灯号来自直流源，但直流源并不睬想，其输出无效值噪声可能会跟着输出旌旗灯号幅度的增添而增添。曲线不是枯燥的，两条曲线存在类似的特点。这可能是由直流源的非幻想特征惹起的。图2-4. 输入变更时的无效值噪声（10 PLC读取速度）在线性度测试中，ADC采样速度设置为62.5 kHz，均值存放器设置为4096，输出数据速度为15 Hz，收罗30个样本，读取均匀值，对应100 PLC的读取速度。直流源发生±9 V旌旗灯号作为输入。抉择±9 V输入旌旗灯号是为了同时比 较ADR1001、ADR1399跟 ADR4550 D 级的机能。板2 (ADA4523-1)的成果如表2-2所示。表2-2. 板2 (ADA4523-1)的线性度测试成果第一列是输入电压，第二列是ADC读数，第三列是对ADC读数停止2点校准后取得的实测电压，第四列是满量程线性度。表2-2看出，全部体系的线性度为0.11 ppm。四块电路板的线性度如图2-5所示。如图所示，四块电路板的线性度均不超越0.2 ppm，与AD4630-24的典范INL指标相婚配。0.2 ppm的线性度优于现在七位半DMM的1.5 ppm线性度。图2-5. 采取ADR1001的线性度(100 PLC)ADC采样速度设置为62.5 kHz，均值存放器设置为1024，输出数据速度为60 Hz，收罗12个样本，读取均匀值，对应10 PLC的读取速度。此设置平日会带来更高的噪声，如图2-6所示，线性度下降至±0.32 ppm。图2-6. 采取ADR1001的线性度(10 PLC)ADR1399的机能与ADI公司的 LM399 相似，后者普遍用于高正确度DMM。为了评价ADR1399作为ADC基准电压源的机能，咱们断开ADR1001输出与ADC的衔接，ADR1399子板经由过程SMA衔接器衔接到旌旗灯号链板。经由过程此衔接向ADC供给基准电压，并向旌旗灯号调节电路供给偏置电压。ADR1399的典范输出电压为7 V，LT5400-1用于衰减ADR1399的输出，以取得4.67 V的ADC基准电压跟2.33 V的偏置电压。因而，测试中应用±9 V输入电压量程。每个旌旗灯号链板均装备独自的ADR1399子板。板1跟板2的ADR1399封装为LCC，板3跟板4的ADR1399封装为TO-46。图2-7是100 PLC下ADR1399的线性度，在±0.3 ppm以内。与ADR1001的 0.2 ppm比拟，ADR1399的0.3 ppm稍差一些，但依然低于典范七位半DMM的1.5 ppm 线性度。别的，ADR1399的LCC封装跟TO-46封装在线性 度丈量成果方面不表示出很年夜差别。图2-7. 采取ADR1399的线性度(100 PLC)将ADR4550D子板衔接到板3跟4，以丈量线性度指标。图2-8表现，线性度在±0.4 ppm以内。图2-8. 采取ADR4550D的线性度(100 PLC)典范七位半DMM的温漂为5 ppm + 1 ppm；典范八位半DMM的温漂为 0.5 ppm + 0.01 ppm。体系的温漂在100PLC读取速度前提上去丈量。将测试板放入恒温箱，温度设定为40°C。待恒温箱温度稳固后，经由过程直流源输入0 V+、5 V、9 V、0 V-、-5 V、-9 V旌旗灯号，并经由过程ACE软件读取ADC读数。而后，将温度设置为23°C跟0°C，反复上述测试。增益偏差跟掉调偏差的温漂依照以下公式盘算。请留神，表2-3中的ADC读数值为ADC读数乘以9.313 nV（1LSB）。ADC读取的值与输入电压之间有0.5倍的增益，以是分母是输入电压的一半。表2-3. 板1的温漂成果采取差别基准电压源的电路板的温漂成果如图2-9、图2-10跟图2-11所示。图2-9. 采取ADR1001的温漂成果图2-10. 采取ADR1399的温漂成果图2-11. 采取ADR4550D的温漂成果表2-4比拟了ADR1001、ADR1399跟ADR4550D的温漂成果。依据之前的正确度剖析并联合试验数据，咱们得悉：LT5400会影响掉调偏差温漂。必需夸大的是，在这方面，采取差别基准电压源的成果不显明差别。LT5400跟基准电压源会影响增益偏差温漂。采取ADR1001的旌旗灯号链板存在较杰出的温漂机能。就温漂而言，ADR1399跟ADR4550D比ADR1001略胜一筹。表2-4. 采取差别基准电压源的温漂比拟典范七位半DMM的24小时正确度为8 ppm + 2 ppm，而八位半DMM的24小时正确度为0.5 ppm + 0.05 ppm。24小时正确度是在100PLC读取速度上去丈量的。起首，将测试板放入恒温箱，温度设定为23°C。待恒温箱温度稳固后，经由过程直流源输入0 V+、5 V、9 V、0 V–、-5 V、-9 V旌旗灯号，并经由过程ACE软件读取ADC数据。24小时后，反复此测试。盘算24小时正确度的增益偏差跟掉调偏差与断定温漂偏差的进程相似，与前者的差别是不温度变更。旌旗灯号链板的24小时正确度成果如图2-12、图2-13、图2-14所示。图2-12. 采取ADR1001的24小时正确度成果图2-13. 采取ADR1399的24小时正确度成果图2-14. 采取ADR4550D的24小时正确度成果表2-5比拟了ADR1001、ADR1399跟ADR4550D的24小时正确度成果。依据之前的正确度剖析并联合试验数据，咱们得悉：LT5400会影响掉调偏差，而且差别基准电压源之间不任何显明差别。LT5400跟基准电压源的时漂会影响增益偏差。在全部电路板中，ADR1001的24小时正确度机能更优，而ADR1399跟ADR4550D的正确度低于ADR1001。表2-5. 比拟采取差别基准电压源的24小时正确度利用聚焦：DMM（数字万用表）ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001或ADR1399的实测机能优于七位半 DMM。ADA4523 + AD4630 + ADR1399的24小时正确度、线性度跟温漂略逊 于采取ADR1001作为基准的体系。1年正确度值是依据先前盘算得出的实践估量值。基准电压源的时漂会年夜幅影响这些指标参数。为了加重时漂对1年正确度的影响，元器件或电路板在装置跟交付给客户之前都市经由老化测试。此进程有助于打消元器件晚期的较年夜漂移。表2-6. 典范DMM与本文处理计划的指标比拟现实的DMM仪器装备比本文探讨的更庞杂，此中还会额定包括用于输入维护以及丈量电压、电流跟阻抗的电路，这会引入更多的不断定性。本文重点先容绝对简略的旌旗灯号链设置，以展现特定器件的机能。计划工程师在研发高正确度装备时，能够使 用这些成果作为参考。利用聚焦：现场仪表校准器表2-7. 高正确度现场仪表校准器的典范指标利用聚焦：三相尺度表表2-8. 三相尺度电表的典范指标利用聚焦：高正确度数据收罗器硬件计划职员在开辟这些数据收罗旌旗灯号链时，平日须要高输入阻抗，以直接衔接多种传感器。在这种情形下，平日须要增益可编程使电路顺应差别的输入旌旗灯号幅度——单极性或双极性跟单端或差分旌旗灯号，存在可变共模电压。年夜少数PGIA（可编程增 益仪表缩小器）由单端输出构成，该输出不克不及直接驱动基于全差分、高正确度SAR ADC架构的旌旗灯号链，须要至少一个旌旗灯号调节或驱动级缩小器。图2-15为PGIA AFE处理计划1：抉择ADA4523-1跟LT5400/LT5401是由于其温漂指标机能比拟杰出。抉择ADG5234是由于其电容较低。第一级增益为1或5，第二级增益也是1或5。经由过程切换ADG5234，总增益能够是1、5或25。最后一级由ADA4523-1跟LT5401构成，将旌旗灯号衰减到ADC输入范畴内。联合AD4630-24跟ADR4550B应用时，该旌旗灯号链可用于高正确度数据收罗器利用。图2-15. PGIA电路1表2-9列出了差别输入量程跟输出数据速度(ODR)情形的噪声指标参数。组合应用ADA4523-1、AD4630跟ADR4550B/LTC6655LN可明显下降噪声程度，尤其是在±5000 mV量程跟±1000 mV量程内。表2-9. 差别输入量程跟ODR下的典范噪声指标别的，旌旗灯号链的线性度跟0°C至～40°C温度范畴内的正确度十分 杰出。拜见表2-10，ADA4523-1 + AD4630 + ADR4550B/LTC6655LN实现的准 确度，比传统数据收罗器罕见的400 ppm指标超过十倍。表2-10. 差别增益下的线性度跟正确度(0°C至～40°C)图2-16为另一种PGIA AFE处理计划，应用了两级电路来下降电路的噪声。该电路经由过程应用差别的LT5400-X器件供给种种增益选项，用户可依据详细请求设置差别的增益。衔接多路复用器的S1A时，增益 = 1衔接多路复用器的S3A时，增益 = 5衔接多路复用器的S2A时，增益 = 21图2-16. PGIA电路2表2-11比拟了PGIA电路1跟电路2的RTI无效值噪声。电路2在高增益跟高ODR情形下表示出较低的噪声。两个PGIA电路的线性度跟0°C至～40°C温度范畴内的正确度测试成果类似。表2-11. 两个PGIA电路的RTI噪声论断DMM等精细仪器利用平日应用Σ-Δ ADC。但是，因为INL指标的限度，实现更好的线性度跟更高的正确度可能很艰苦。别的，深埋型齐纳二极管基准电压源的外部旌旗灯号调节计划过于庞杂，对追求晋升现有产物机能的客户来说是一个瓶颈。经由过程应用0.1 ppm INL 2 MSPS SAR AD4630-24、选集成式超高温 ADR1001、低噪声零漂移ADA4523-1跟1 ppm/°C LT5400等器件，模仿前端旌旗灯号链能够实现十分杰出的指标机能：0.6 ppm 24小时正确度、0.2 ppm线性度、0.05 ppm噪声跟0.6 ppm/°C温漂。这些现实丈量成果与本文第一局部中先容的实践剖析跟盘算基础符合。因而，该旌旗灯号链实用于种种高正确度利用，包含DMM、现场仪表校准器、三相尺度电表跟高正确度数据收罗器等。 　　申明：新浪网独家稿件，未经受权制止转载。 -->