高準(zhǔn)確度信號鏈解決方案快速實現(xiàn)七位半DMM

在對準(zhǔn)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(zhǔn)確度的測量結(jié)果，但對于大多數(shù)工程師來說，其設(shè)計和調(diào)試過程往往過于復(fù)雜，因此許多工程師會選擇商用ADC來簡化設(shè)計。

在過去的十年里，24位Σ-Δ ADC被廣泛應(yīng)用于六位半DMM設(shè)計中。然而，要想實現(xiàn)七位半準(zhǔn)確度和線性度，就必須使用更高性能的ADC。此外，基準(zhǔn)電壓問題也帶來了挑戰(zhàn)，深埋型齊納二極管基準(zhǔn)電壓源需要復(fù)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(zhǔn)確度需求的應(yīng)用，例如三相標(biāo)準(zhǔn)表、現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)器、高準(zhǔn)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(shè)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(zhǔn)電壓源、四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)和零漂移低噪聲放大器組成的高準(zhǔn)確度信號鏈解決方案。我們會提供若干主要指標(biāo)的實際測量結(jié)果，并討論幾個典型應(yīng)用供讀者參考。

解決方案和評估系統(tǒng)簡介

高準(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行差模和共模濾波。然后，信號進(jìn)入AFE信號調(diào)理電路，以轉(zhuǎn)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(zhǔn)確增益，并能很好地驅(qū)動SAR ADC。為保障系統(tǒng)準(zhǔn)確度和溫度漂移特性，采用ADI公司的恒溫控制精密基準(zhǔn)電壓源 ADR1001來為ADC提供5 V基準(zhǔn)電壓，并為AFE電路提供2.5 V共模電壓。

模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(fù)責(zé)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(shè)置為500 PLC（工頻周期）。進(jìn)行2點校準(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)果

為了全面評估信號鏈板的性能，測試分四步進(jìn)行：噪聲測試、線性度測試、溫漂(TC)測試和24小時準(zhǔn)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(chǔ)。因為當(dāng)系統(tǒng)噪聲升高時，可能導(dǎo)致測量的線性度和準(zhǔn)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(shè)置如下：

電路板的兩個輸入引腳短接到地。

ADC的采樣速率設(shè)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(zhǔn)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(jié)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(dǎo)致 VREF 噪聲對整體系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)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(shè)置為62.5 kHz，均值寄存器設(shè)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(yīng)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(jié)果如表2-2所示。

表2-2. 板2 (ADA4523-1)的線性度測試結(jié)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(jìn)行2點校準(zhǔn)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(biāo)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(shè)置為62.5 kHz，均值寄存器設(shè)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(yīng)10 PLC的讀取速率。此設(shè)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(zhǔn)確度DMM。為了評估ADR1399作為ADC基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)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(biāo)。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(shè)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(shè)置為23°C和0°C，重復(fù)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(jié)果

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

圖2-9. 采用ADR1001的溫漂結(jié)果

圖2-10. 采用ADR1399的溫漂結(jié)果

圖2-11. 采用ADR4550D的溫漂結(jié)果

表2-4比較了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的溫漂結(jié)果。根據(jù)之前的準(zhǔn)確度分析并結(jié)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(qiáng)調(diào)的是，在這方面，采用不同基準(zhǔn)電壓源的結(jié)果沒有明顯區(qū)別。

LT5400和基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓源的溫漂比較

24小時準(zhǔn)確度測試

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

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001

24小時準(zhǔn)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(shè)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(fù)此測試。計算24小時準(zhǔn)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(zhǔn)確度結(jié)果如圖2-12、圖2-13、圖2-14所示。

圖2-12. 采用ADR1001的24小時準(zhǔn)確度結(jié)果

圖2-13. 采用ADR1399的24小時準(zhǔn)確度結(jié)果

圖2-14. 采用ADR4550D的24小時準(zhǔn)確度結(jié)果

表2-5比較了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的24小時準(zhǔn)確度結(jié)果。根據(jù)之前的準(zhǔn)確度分析并結(jié)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(zhǔn)電壓源之間沒有任何明顯差異。

LT5400和基準(zhǔn)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(zhǔn)確度性能更優(yōu)，而ADR1399和ADR4550D的準(zhǔn)確度低于ADR1001。

表2-5. 比較采用不同基準(zhǔn)電壓源的24小時準(zhǔn)確度

應(yīng)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(zhǔn)確度DMM的指標(biāo)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(zhǔn)確度、線性度和溫漂略遜 于采用ADR1001作為基準(zhǔn)的系統(tǒng)。

1年準(zhǔn)確度值是根據(jù)先前計算得出的理論估計值?；鶞?zhǔn)電壓源的時漂會大幅影響這些指標(biāo)參數(shù)。為了減輕時漂對1年準(zhǔn)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(biāo)比較

實際的DMM儀器設(shè)備比本文討論的更復(fù)雜，其中還會額外包含用于輸入保護(hù)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(shè)計工程師在研發(fā)高準(zhǔn)確度設(shè)備時，可以使 用這些結(jié)果作為參考。

應(yīng)用聚焦：現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)器

壓力計、溫度計和過程儀表等現(xiàn)場儀表需要校準(zhǔn)。校準(zhǔn)器集成了高準(zhǔn)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(zhǔn)器的典型指標(biāo)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)與表2-6中的七位半DMM指標(biāo)類似。ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001/ADR1399 + LT5400也可用于現(xiàn)場儀表高準(zhǔn)確度校準(zhǔn)器中的測量模塊。

表2-7. 高準(zhǔn)確度現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)器的典型指標(biāo)

應(yīng)用聚焦：三相標(biāo)準(zhǔn)表

測試單相或三相功率表和電能表時，標(biāo)準(zhǔn)電表用作參考級標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)行準(zhǔn)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(zhǔn)確度。表2-8列出了三相標(biāo)準(zhǔn)表的典型指標(biāo)。對于ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001信號鏈，24小時電壓準(zhǔn)確度和漂移指標(biāo)與這些標(biāo)準(zhǔn)表相似。

表2-8. 三相標(biāo)準(zhǔn)電表的典型指標(biāo)

應(yīng)用聚焦：高準(zhǔn)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(zhǔn)確度地測量電壓、熱電偶和電流，通常使用24位ADC。

硬件設(shè)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(yīng)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(qū)動基于全差分、高準(zhǔn)確度SAR ADC架構(gòu)的信號鏈，需要至少一個信號調(diào)理或驅(qū)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(biāo)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(jié)合AD4630-24和ADR4550B使用時，該信號鏈可用于高準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)采集器應(yīng)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(biāo)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(biāo)

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

表2-10. 不同增益下的線性度和準(zhǔn)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(fù)用器的S1A時，增益 = 1

連接多路復(fù)用器的S3A時，增益 = 5

連接多路復(fù)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(zhǔn)確度測試結(jié)果相似。

表2-11. 兩個PGIA電路的RTI噪聲

結(jié)論

DMM等精密儀器應(yīng)用通常使用Σ-Δ ADC。然而，由于INL指標(biāo)的限制，實現(xiàn)更好的線性度和更高的準(zhǔn)確度可能很困難。此外，深埋型齊納二極管基準(zhǔn)電壓源的外部信號調(diào)理設(shè)計過于復(fù)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(biāo)性能：0.6 ppm 24小時準(zhǔn)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(jié)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(zhǔn)確度應(yīng)用，包括DMM、現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)器、三相標(biāo)準(zhǔn)電表和高準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)采集器等。