幾個典型案例解析，快速實現(xiàn)七位半DMM

在對準確度有很高要求的行業(yè)里，七位半或更高分辨率的數(shù)字 萬用表(DMM)會被使用，這些DMM采用由分立元器件搭建的多斜 率積分ADC。這些ADC雖然可以提供合理準確度的測量結果，但對于大多數(shù)工程師來說，其設計和調(diào)試過程往往過于復雜，因此許多工程師會選擇商用ADC來簡化設計 。

在過去的十年里，24位Σ-Δ ADC被廣泛應用于六位半DMM設計中。 然而，要想實現(xiàn)七位半準確度和線性度，就必須使用更高性能的ADC。此外，基準電壓問題也帶來了挑戰(zhàn)，深埋型齊納二極管基準電壓源需要復雜的外部信號調(diào)理電路來實現(xiàn)超低溫度漂移。

這些情況也適用于其他各種有高準確度需求的應用，例如三相 標準表、現(xiàn)場儀表校準器、高準確度數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)、實驗 室電子秤、地震物探儀以及自動測試設備(ATE)中的源表(SMU)/功率測量單元(PMU)。

本文將介紹由低INL SAR ADC、全集成式超低溫漂精密基準電壓 源、四通道匹配電阻網(wǎng)絡和零漂移低噪聲放大器組成的高準確度信號鏈解決方案。我們會提供若干主要指標的實際測量結 果，并討論幾個典型應用供讀者參考。

解決方案和評估系統(tǒng)簡介

高準確度解決方案的評估系統(tǒng)由兩塊板組成：一塊七位半高準確度信號鏈板和一塊控制板。

• 首先，輸入信號經(jīng)過EMI濾波器進行差模和共模濾波。然后，信號進入AFE信號調(diào)理電路，以轉換到ADC輸入范圍內(nèi)。該AFE電路可確保實現(xiàn)超低溫度漂移、超低噪聲和準確增益，并能很好地驅動SAR ADC。為保障系統(tǒng)準確度和溫度漂移特性，采用ADI公司的恒溫控制精密基準電壓源 ADR1001來為ADC提供5 V基準電壓，并為AFE電路提供2.5 V共模電壓。

• 模數(shù)轉換器選用了ADI最新的兼具低INL和高分辨率的SAR ADC AD4630-24。

• 控制板從ADC收集數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)絇C。ADI EVAL-AD4630-24 的ACE軟件可用于配置AD4630（采樣速率、ADC通道、采集模式）以及分析ADC數(shù)據(jù)。

圖2-1. 七位半高準確度信號鏈板

圖2-2為評估系統(tǒng)框圖。信號由直流源產(chǎn)生后，送入信號鏈板，控制板負責采集數(shù)據(jù)并將其通過USB傳送到PC。

圖2-2. 評估系統(tǒng)框圖

圖2-3為八位半DMM測得的直流源線性度曲線。DMM的讀取速率設置為500 PLC（工頻周期）。進行2點校準消除失調(diào)誤差和增益誤差后，直流源與DMM總的線性誤差在±0.1 ppm范圍內(nèi)，表明直流源性能優(yōu)異。該直流源可用于評估七位半高準確度信號鏈的性能。

圖2-3. 直流源+八位半DMM的線性度

測試結果

為了全面評估信號鏈板的性能，測試分四步進行：噪聲測試、線性度測試、溫漂(TC)測試和24小時準確度測試。

噪聲測試

評估信號鏈板性能的初始步驟是測試其噪聲特性，為后續(xù)測試奠定基礎。因為當系統(tǒng)噪聲升高時，可能導致測量的線性度和準確度發(fā)生輕微變化，造成整體性能下降。我們共測量了四塊板，其中兩塊板的AFE電路采用ADI公司的 ADA4522,另外兩塊板采用 ADA4523-1。具體實驗設置如下：

• 電路板的兩個輸入引腳短接到地。

• ADC的采樣速率設置為62.5 kHz或1 MHz，ADC的均值寄存器配置為4096或65536。最終輸出速率固定在15 Hz。

• 取三個樣本的平均值得到一個數(shù)據(jù)點，讀取速率為5 Hz、10 PLC?？偣彩占?0個數(shù)據(jù)點來計算有效值噪聲。

ADR1001用作本次實驗的基準電壓源。

表2-1為四塊板的實測噪聲。

• ADA4523-1板的噪聲低于ADA4522板。在 62.5 kHz FS下，ADA4523-1板的噪聲約為500 nV rms，即0.05 ppm噪聲(500 nV rms/10 V)。

• 如果提高采樣速率（例如1 MHz，約為62.5 kHz的16倍），并將輸出速率保持在15 Hz不變，噪聲水平可以降低到大概四分之一。這與過采樣理論的原理一致。

表2-1. 不同 FS下測得的噪聲結果

圖2-4為輸入變化時板3、板4的有效值噪聲，此時讀取速率為10 PLC (FS = 1 MHz).

• 如橙色曲線所示，ADA4523-1板的噪聲較低。

• 兩條曲線表明，總有效值噪聲會隨著輸入信號的增加而增加。這可能是由以下兩個原因造成的：(1)隨著輸入 (VIN) 的提高， VIN/VREF比率增大，導致 VREF 噪聲對整體系統(tǒng)噪聲的貢獻更大；(2)輸入信號來自直流源，但直流源并不理想，其輸出有效值噪聲可能會隨著輸出信號幅度的增加而增加。

• 曲線不是單調(diào)的，兩條曲線具有相似的特征。這可能是由直流源的非理想特性引起的。

圖2-4. 輸入變化時的有效值噪聲（10 PLC讀取速率）

線性度測試

• ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001的評估

在線性度測試中，ADC采樣速率設置為62.5 kHz，均值寄存器設置為4096，輸出數(shù)據(jù)速率為15 Hz，采集30個樣本，讀取平均值，對應100 PLC的讀取速率。

直流源產(chǎn)生±9 V信號作為輸入。選擇±9 V輸入信號是為了同時比 較ADR1001、ADR1399和 ADR4550 D 級的性能。板2 (ADA4523-1)的結果如表2-2所示。

表2-2. 板2 (ADA4523-1)的線性度測試結果

第一列是輸入電壓，第二列是ADC讀數(shù)，第三列是對ADC讀數(shù)進行2點校準后獲得的實測電壓，第四列是滿量程線性度。表2-2看出，整個系統(tǒng)的線性度為0.11 ppm。

四塊電路板的線性度如圖2-5所示。如圖所示，四塊電路板的線性度均不超過0.2 ppm，與AD4630-24的典型INL指標相匹配。0.2 ppm的線性度優(yōu)于目前七位半DMM的1.5 ppm線性度。

圖2-5. 采用ADR1001的線性度(100 PLC)

ADC采樣速率設置為62.5 kHz，均值寄存器設置為1024，輸出數(shù)據(jù)速率為60 Hz，采集12個樣本，讀取平均值，對應10 PLC的讀取速率。此設置通常會帶來更高的噪聲，如圖2-6所示，線性度降低至±0.32 ppm。

圖2-6. 采用ADR1001的線性度(10 PLC)

• ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1399

ADR1399的性能與ADI公司的 LM399 類似，后者廣泛用于高準確度DMM。為了評估ADR1399作為ADC基準電壓源的性能，我們斷開ADR1001輸出與ADC的連接，ADR1399子板通過SMA連接器連接到信號鏈板。通過此連接向ADC提供基準電壓，并向信號調(diào)理電路提供偏置電壓。ADR1399的典型輸出電壓為7 V，LT5400-1用于衰減ADR1399的輸出，以獲得4.67 V的ADC基準電壓和2.33 V的偏置電壓。因此，測試中使用±9 V輸入電壓量程。

每個信號鏈板均配備單獨的ADR1399子板。板1和板2的ADR1399封裝為LCC，板3和板4的ADR1399封裝為TO-46。

圖2-7是100 PLC下ADR1399的線性度，在±0.3 ppm以內(nèi)。與ADR1001的 0.2 ppm相比，ADR1399的0.3 ppm稍差一些，但仍然低于典型七位半DMM的1.5 ppm 線性度。此外，ADR1399的LCC封裝和TO-46封裝在線性 度測量結果方面沒有表現(xiàn)出很大差異。

圖2-7. 采用ADR1399的線性度(100 PLC)

• ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR4550D

將ADR4550D子板連接到板3和4，以測量線性度指標。圖2-8顯示，線性度在±0.4 ppm以內(nèi)。

圖2-8. 采用ADR4550D的線性度(100 PLC)

溫漂測試

典型七位半DMM的溫漂為5 ppm + 1 ppm；典型八位半DMM的溫漂為 0.5 ppm + 0.01 ppm。

• ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001

系統(tǒng)的溫漂在100PLC讀取速率條件下來測量。將測試板放入恒溫箱，溫度設定為40°C。待恒溫箱溫度穩(wěn)定后，通過直流源輸入0 V+、5 V、9 V、0 V-、-5 V、-9 V信號，并通過ACE軟件讀取ADC讀數(shù)。然后，將溫度設置為23°C和0°C，重復上述測試。增益誤差和失調(diào)誤差的溫漂按照以下公式計算。請注意，表2-3中的ADC讀數(shù)值為ADC讀數(shù)乘以9.313 nV（1LSB）。ADC讀取的值與輸入電壓之間有0.5倍的增益，所以分母是輸入電壓的一半。

表2-3. 板1的溫漂結果

采用不同基準電壓源的電路板的溫漂結果如圖2-9、圖2-10和圖2-11所示。

圖2-9. 采用ADR1001的溫漂結果

圖2-10. 采用ADR1399的溫漂結果

圖2-11. 采用ADR4550D的溫漂結果

表2-4比較了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的溫漂結果。根據(jù)之前的準確度分析并結合實驗數(shù)據(jù)，我們得知：

• LT5400會影響失調(diào)誤差溫漂。必須強調(diào)的是，在這方面，采用不同基準電壓源的結果沒有明顯區(qū)別。

• LT5400和基準電壓源會影響增益誤差溫漂。采用ADR1001的信號鏈板具有較出色的溫漂性能。就溫漂而言，ADR1399和ADR4550D比ADR1001稍遜一籌。

表2-4. 采用不同基準電壓源的溫漂比較

24小時準確度測試

典型七位半DMM的24小時準確度為8 ppm + 2 ppm，而八位半DMM的24小時準確度為0.5 ppm + 0.05 ppm。

• ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001

24小時準確度是在100PLC讀取速率下來測量的。首先，將測試板放入恒溫箱，溫度設定為23°C。待恒溫箱溫度穩(wěn)定后，通過直流源輸入0 V+、5 V、9 V、0 V–、-5 V、-9 V信號，并通過ACE軟件讀取ADC數(shù)據(jù)。24小時后，重復此測試。計算24小時準確度的增益誤差和失調(diào)誤差與確定溫漂誤差的過程類似，與前者的區(qū)別是沒有溫度變化。

信號鏈板的24小時準確度結果如圖2-12、圖2-13、圖2-14所示。

圖2-12. 采用ADR1001的24小時準確度結果

圖2-13. 采用ADR1399的24小時準確度結果

圖2-14. 采用ADR4550D的24小時準確度結果

表2-5比較了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的24小時準確度結果。根據(jù)之前的準確度分析并結合實驗數(shù)據(jù)，我們得知：

• LT5400會影響失調(diào)誤差，并且不同基準電壓源之間沒有任何明顯差異。

LT5400和基準電壓源的時漂會影響增益誤差。在所有電路板中，ADR1001的24小時準確度性能更優(yōu)，而ADR1399和ADR4550D的準確度低于ADR1001。

表2-5. 比較采用不同基準電壓源的24小時準確度

應用聚焦：DMM（數(shù)字萬用表）

表2-6比較了信號鏈板與典型高準確度DMM的指標參數(shù)：

• ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001或ADR1399的實測性能優(yōu)于七位半 DMM。

• ADA4523 + AD4630 + ADR1399的24小時準確度、線性度和溫漂略遜 于采用ADR1001作為基準的系統(tǒng)。

• 1年準確度值是根據(jù)先前計算得出的理論估計值?；鶞孰妷涸吹臅r漂會大幅影響這些指標參數(shù)。為了減輕時漂對1年準確度的影響，元器件或電路板在安裝和交付給客戶之前都會經(jīng)過老化測試。此過程有助于消除元器件早期的較大漂移。

表2-6. 典型DMM與本文解決方案的指標比較

實際的DMM儀器設備比本文討論的更復雜，其中還會額外包含用于輸入保護以及測量電壓、電流和阻抗的電路，這會引入更多的不確定性。本文重點介紹相對簡單的信號鏈配置，以展示特定器件的性能。設計工程師在研發(fā)高準確度設備時，可以使 用這些結果作為參考。

應用聚焦：現(xiàn)場儀表校準器

壓力計、溫度計和過程儀表等現(xiàn)場儀表需要校準。校準器集成了高準確度直流信號測量模塊。下表列出了用于測量±10 V電壓時，校準器的典型指標參數(shù)，相關參數(shù)與表2-6中的七位半DMM指標類似。ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001/ADR1399 + LT5400也可用于現(xiàn)場儀表高準確度校準器中的測量模塊。

表2-7. 高準確度現(xiàn)場儀表校準器的典型指標

應用聚焦：三相標準表

測試單相或三相功率表和電能表時，標準電表用作參考級標準。為了進行準確測試，該器件在電源頻率（50 Hz或60 Hz）下需要具有非常高的準確度。表2-8列出了三相標準表的典型指標。對于ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001信號鏈，24小時電壓準確度和漂移指標與這些標準表相似。

表2-8. 三相標準電表的典型指標

應用聚焦：高準確度數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器可用于實現(xiàn)多種測量和控制功能。為了在不同幅度和頻率下高準確度地測量電壓、熱電偶和電流，通常使用24位ADC。

硬件設計人員在開發(fā)這些數(shù)據(jù)采集信號鏈時，通常需要高輸入阻抗，以直接連接多種傳感器。在這種情況下，通常需要增益可編程使電路適應不同的輸入信號幅度——單極性或雙極性和單端或差分信號，具有可變共模電壓。大多數(shù)PGIA（可編程增 益儀表放大器）由單端輸出組成，該輸出不能直接驅動基于全差分、高準確度SAR ADC架構的信號鏈，需要至少一個信號調(diào)理或驅動級放大器。

圖2-15為PGIA AFE解決方案1：

• 選擇ADA4523-1和LT5400/LT5401是因為其溫漂指標性能比較出色。

• 選擇ADG5234是因為其電容較低。

• 第一級增益為1或5，第二級增益也是1或5。通過切換ADG5234，總增益可以是1、5或25。

• 最后一級由ADA4523-1和LT5401組成，將信號衰減到ADC輸入范圍內(nèi)。

• 結合AD4630-24和ADR4550B使用時，該信號鏈可用于高準確度數(shù)據(jù)采集器應用。

圖2-15. PGIA電路1

表2-9列出了不同輸入量程和輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)情況的噪聲指標參數(shù)。組合使用ADA4523-1、AD4630和ADR4550B/LTC6655LN可顯著降低噪聲水平，尤其是在±5000 mV量程和±1000 mV量程內(nèi)。

表2-9. 不同輸入量程和ODR下的典型噪聲指標

此外，信號鏈的線性度和0°C至～40°C溫度范圍內(nèi)的準確度非常 出色。參見表2-10，ADA4523-1 + AD4630 + ADR4550B/LTC6655LN實現(xiàn)的準 確度，比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器常見的400 ppm指標高出十倍。

表2-10. 不同增益下的線性度和準確度(0°C至～40°C)

圖2-16為另一種PGIA AFE解決方案，使用了兩級電路來降低電路的噪聲。該電路通過使用不同的LT5400-X器件提供各種增益選項，用戶可根據(jù)具體要求配置不同的增益。

• 連接多路復用器的S1A時，增益 = 1

• 連接多路復用器的S3A時，增益 = 5

• 連接多路復用器的S2A時，增益 = 21

圖2-16. PGIA電路2

表2-11比較了PGIA電路1和電路2的RTI有效值噪聲。電路2在高增益和高ODR情況下表現(xiàn)出較低的噪聲。兩個PGIA電路的線性度和0°C至～40°C溫度范圍內(nèi)的準確度測試結果相似。

表2-11. 兩個PGIA電路的RTI噪聲

結論

DMM等精密儀器應用通常使用Σ-Δ ADC。然而，由于INL指標的限制，實現(xiàn)更好的線性度和更高的準確度可能很困難。此外，深埋型齊納二極管基準電壓源的外部信號調(diào)理設計過于復雜，對于尋求提升現(xiàn)有產(chǎn)品性能的客戶來說是一個瓶頸。

通過利用0.1 ppm INL 2 MSPS SAR AD4630-24、全集成式超低溫 ADR1001、低噪聲零漂移ADA4523-1和1 ppm/°C LT5400等器件，模擬前端信號鏈可以實現(xiàn)非常出色的指標性能：0.6 ppm 24小時準確度、0.2 ppm線性度、0.05 ppm噪聲和0.6 ppm/°C溫漂。這些實際測量結果與本文第一部分中介紹的理論分析和計算基本吻合。因此，該信號鏈適用于各種高準確度應用，包括DMM、現(xiàn)場儀表校準器、三相標準電表和高準確度數(shù)據(jù)采集器等。