实现七位半DMM的要求到底有多高？

很多仪器仪表利用请求高正确度，比方数字万用表、三相尺度表、现场仪表校准器、高正确度DAQ体系、电子秤/试验室天平、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)等。这些利用须要以十分高的正确度丈量直流或低频交换旌旗灯号，年夜少数情形下，实现利用抉择的相干元器件需具有低INL、高辨别率、精良的稳固性跟可反复性。在全部这些利用中，DMM是最具代表性的利用。本文援用地点：为了构建七位半或更高正确度的DMM，业界平日采取基于分破元器件搭建的多斜率积分ADC。固然此类ADC可能保障公道的丈量正确度，但其计划跟调试颇为庞杂，因而很多工程师采取商用ADC IC来实现计划。在从前的十多年里，市场上的24位Σ-Δ ADC被普遍利用于六位半DMM的计划中。 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。 另一个挑衅来自基准电压源，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才干实现超高温度漂移。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建的高正确度旌旗灯号链处理计划。 文中停止了正确度的实践剖析跟盘算，可作为现实电路计划跟测试的参考跟领导。高正确度DMM的重要直流指标参数表1-1列出了市场上典范高正确度DMM的重要直流电压丈量指标参数。重要的指标参数包含：输入量程： 界说容许的输入旌旗灯号范畴。DMM的各项规格参数跟输入量程有关，输入量程有1000 V、100 V、10 V、1 V或100 mV等。10 V为典范输入量程，此时DMM的各项参数机能较优。表1-1为10 V量程对应的各项指标参数。对其余量程，可应用高正确度电阻将1000 V或100 V旌旗灯号衰减至10 V量程，或许应用婚配精良的电阻阵列将1 V或100 mV旌旗灯号缩小至10 V量程。辨别率或位数： 辨别率平日以百分比、ppm、或位数来表现。DMM的辨别率年夜多依据所表现的数字位数(数位)来指定。平日，这可能是由一个整数跟0.5构成的数字，比方六位半。半位能够表现0或1。典范的六位半表在1 V丈量量程最高能够表现1.199999。典范的七位半仪表在10 V丈量量程最高能够表现11.999999。对某些产物，比方ADC，辨别率平日以位数来表现。比方，24位ADC会供给2^24个差别的值，即16777216个值。辨别率用数位表现为lg(16777216) = 7.2。请留神，24位ADC的无效辨别率平日小于24位，这象征着其无效数位小于7.2。正确度： 正确度用于权衡丈量成果与实在值之间的分歧水平。很多要素都市影响正确度，比方噪声、掉调偏差、增益偏差跟线性度等。就模仿旌旗灯号链而言，旌旗灯号链上的每个元器件都有这些偏差，而且可能影响全部体系的偏差或正确度。正确度指标可能随温度跟时光而变更。24小时正确度、1年正确度跟温漂可用于描写随时光跟温度变更的正确度机能。这些参数决议了装备的稳固性跟可反复性，即丈量值能否随时光变更以及屡次丈量值能否分歧。表 1-1 中的正确度是在100 PLC或10 PLC (5 Hz)的读取速度下测试的，此中，PLC是工频周期，100 PLC表现一个丈量周期为100/50 Hz，即2秒。线性度： 用于权衡装备的输入跟输出的线性关联。线性度可能会影响体系的正确度。噪声： 体系噪声决议了DMM装备的最低无效数位。平日，此参数在100 PLC或10 PLC下停止测试。对表 1- 1中所示的七位半DMM2，10 V输入量程0.1 ppm，则噪声为1 μVrms。这象征着，当输入端短路时，最低数位(1 μV)读数可能会产生变更，读数值为00.00000X（X会变更）。对高正确度旌旗灯号链，旌旗灯号链上的转换器、基准电压源、精细缩小器跟婚配电阻收集都市影响体系噪声跟正确度。更多细节将在后续章节中探讨。表1-1. 市场上的高正确度DMMADCADC用于将模仿旌旗灯号转换为数字码，是模仿域跟数字域之间的桥梁。表1-2列出了10 V输入量程下差别DMM的ADC无效辨别率请求。请留神，市场上年夜少数DMM的现实辨别率数位均小于幻想辨别率数位。比方，七位半DMM2的现实辨别率为7.1数位（DMM表现范畴为12000000），ADC无效辨别率至少须要为24.5位（斟酌到旌旗灯号有正负，2的24.5次幂= 23726566，濒临24000000），10 V输入量程的噪声应小于1 μV rms。表1-2. DMM 对ADC无效辨别率的请求表1-3列出了ADI]article_adlist-->公司高辨别率ADC的噪声指标跟无效辨别率。对六位半利用， AD7190 跟 AD7175-2是很好的ADC抉择。对七位半利用， AD7177-2 跟LTC2500-32是很好的ADC抉择。AD4630-24的INL为±0.1 ppm典范值（±0.9 ppm最年夜值），明显优于其余ADC。双通道、同步采样、2 MSPS SAR ADC AD4630-24同时存在低噪声、低零漂跟低增益温漂特征，是七位半旌旗灯号链处理计划的最佳抉择。AD4030-24是单通道2 MSPS ADC， AD4632-24是双通道500 kSPS ADC， AD4032-24是单通道500 kSPS ADC。全部这些器件的INL机能都类似，单通道器件的噪声机能更优。表1-3. ADI高辨别率ADC的噪声跟辨别率指标基准电压源基准电压源决议了体系正确度。温漂(TC)、时漂(LTD)、噪声跟初始正确度是基准电压源的重要指标参数。LTZ1000跟LM399存在精良的温漂跟时漂指标参数，曾经被普遍利用于高数位DMM。支撑高正确度的基准电压源另有良多抉择：ADR1399的噪声跟负载调剂指标优于LM399。ADR1001是一款完整集成、超高温漂、深埋型齐纳二极管精细 基准电压源。ADR1001将LTZ1000所需的全部旌旗灯号调节电路集成到单个芯片中，使得团体处理计划面积明显减小，这简化了计划流程。ADR4550D输出电压为5V，初始正确度高。D级的温漂跟时漂指标参数优于A/B/C级。全部这些基准电压源都是高正确度旌旗灯号链的杰出抉择。表1-4. 基准电压源指标比拟表缩小器很多运算缩小器的某些偏差指标在ppm量级，但不一个运算缩小器的全部偏差指标都能到达ppm量级。比方，斩波缩小器可供给ppm级的掉调电压、DC线性度跟低频噪声，但其输入偏置电流跟线性度随频率偏差较年夜。双极性缩小用具有低宽带噪声跟精良的线性度，但其输入电流仍可能招致外部电路偏差。MOS缩小用具有杰出的偏置电流，但平日在低频噪声跟线性度方面存在缺点。在现实电平搬移、衰减/缩小跟有源滤波器电路中，要满意±5 V旌旗灯号、实用于1 kΩ情况并到达1 ppm线性度，运算缩小器需满意一些基础请求，如表 1- 5第二列所示。除了表1-5列出的参数外，温漂跟时漂也十分主要。ADA4522-2跟ADA4523-1采取自校准电路，存在高温漂（最年夜0.01 µV/°C）以及低 时漂。对目的旌旗灯号频率濒临斩波缩小器开关频率的利用，ADA4510-2可能是个好的抉择，其年夜少数指标都充足好，能够用在旌旗灯号链的任何地位。表1-5. ppm正确度所需的运算缩小器指标及数值列表婚配电阻收集婚配电阻收集 LT5400跟 LT5401存在十分低的婚配温漂跟时漂指标，可与缩小器共同应用，依据差别利用的请求设置模仿前真个增益。表1-6为ADI公司的婚配电阻收集产物。对LT5400，表中列出的是B级指标。LT5400 A级的相对电阻婚配比更优，其婚配温漂跟时漂与LT5400B雷同。表1-6. 婚配电阻收集AFE电路（增益牢固）U1跟U3是缓冲器，用于增添AFE电路的输入阻抗。VCOM供给2.5 V电压，将AFE输出偏置为正旌旗灯号。LT5400-7（2×1.25k、2×5k）将旌旗灯号衰减1/4，以使旌旗灯号处于ADC输入范畴内。缩小器设置为环路内弥补电路，以驱动SAR ADC。蓝色曲线（±10 V输入）跟白色曲线（±5 V差分输出）是LTspice的仿真成果。图1-1. LTspice AFE电路0.1 Hz至～10 Hz时，AFE电路的噪声仿真成果为32 nV rms，大略是98 nV rms ADC噪声的1/3。24小时正确度剖析(Ta = 23 ± 1°C)影响正确度的重要要素是两类偏差：掉调偏差跟增益偏差。掉调偏差决议量程的不断定度，增益偏差决议读数的不断定度。元器件奉献的相对偏差能够在体系级停止校准，而与温度跟时光相干的偏差则难以校准。24小时正确度重要由元器件的温度相干偏差决议，平日划定为±（读数的百分比+量程的百分比）或±（读数的ppm+量程的ppm）。掉调偏差形成的不断定性与旌旗灯号有关。比方，假设输入旌旗灯号为0，终极的输出读数可能因缩小器的掉调漂移偏差而有所差别。这象征着缩小器的掉调漂移偏差会惹起量程的不断定性。除了缩小器的掉调漂移之外，还须要斟酌跟剖析电阻收集的温漂、ADC的零点漂移以及ADC的INL。（请留神，ADC INL被以为是掉调不断定性，由于其非线性峰值未知）。图1-2用于仿真LT5400-7的偏差奉献：实践上，当输入为0 V时，AFE电路的输出也应为0 V。假设R8/R9跟R1/R7之间的婚配度为1 ppm，则输出将为-0.5 μV，即-0.1 ppm偏差。假设R13/R12跟R11/R10之间的婚配度为1 ppm，则输出将为-1.0 μV，即-0.2 ppm偏差。LT5400-7的最年夜电阻婚配比温漂为±1 ppm/°C，因而其掉调偏差奉献为±0.2 ppm/°C。图1-2. 仿真LT5400-7婚配温漂带来的掉调偏差表1-7总结了差别偏差源带来的掉调偏差。总温漂偏差 = √0.0022 + 0.0052 + 0.22 + 0.0072 ≈ 0.2 ppm/°C.斟酌到温度不断定度为±1°C，故总温漂偏差为0.2 ppm。加上0.9 ppm ADC INL偏差，总掉调偏差 = √0.22 + 0.92 ≈ 1 ppm.表1-7. 掉调偏差源剖析增益偏差形成的不断定性与旌旗灯号巨细有关。比方，假设输入旌旗灯号为0，终极输出读数可能不会因基准电压源掉调漂移偏差而有所差别。这象征着基准电压源的掉调漂移偏差会惹起读数的不断定性。除了基准电压源的掉调漂移之外，还须要斟酌跟剖析电阻收集的温漂、ADC的增益偏差漂移、基准电压源的滞回偏差以及缩小器的CMRR。图1-3用于仿真LT5400-7奉献的增益偏差：实践上，当输入为10 V时，AFE电路的输出(OUT+OUT-)应为-5 V。假设R8/R9与R1/R7之间的婚配度为1 ppm，R13/R12与R11/R10之间的 婚配度为1 ppm，则输出为–3.5 µV，若扣除–1 μV掉调偏差，则增益偏差为–2.5 μV。LT5400-7的最年夜电阻婚配比温漂为±1 ppm/°C，因而增益偏差奉献为±0.5 ppm/°C。图1-3. 仿真LT5400-7婚配温漂带来的增益偏差ADA4523-1的CMRR最小值为140 dB，在±10 V输入下，缓冲器的Vcm变 化为±10 V，U4的Vcm变更为0 V至 ～4 V，无限的CMRR可能会跟着输入变更而惹起额定的增益偏差。温度变更为±1°C，因而能够疏忽基准电压源的温度滞回偏差。在任务温度范畴较宽的其余利用中，须要斟酌基准电压源滞回偏差。表1-8总结了差别偏差源带来的增益偏差。总温漂偏差 = √0.52 + 0.22 + 0.072 ≈ 0.54 ppm/°C.斟酌到温度不断定度为±1°C，故总温漂偏差为0.54 ppm。加上缩小器CMRR偏差跟基准电压源温度滞回偏差，总增益误 差 = √0.542 + 0.12 + 0.12 ≈ 0.6 ppm.表1-8. 增益偏差源及剖析依据剖析，对由ADA4523-1 + LT5400-7 + AD4630-24 + ADR1001构成的 旌旗灯号链，估量24小时正确度 (Ta = 23 ± 1°C) 为 ±(0.6 ppm + 1.0 ppm)。从表1-7跟表1-8能够得出如下论断：缩小器的温漂、基准电压源的温漂、电阻婚配温漂跟ADC INL对全部体系的正确度都很主要。1年正确度(Ta = 23 ± 5°C)对仪表来说，正确度会跟着时光的推移而下降。这是由于元器件参数会随时光而变更，不断定性会依照时光的平方根增添。仪表正确度与时光的指标十分主要。平日将其划定为±（读数的百分比+量程的的百分比）或±（读数的ppm+量程的ppm），时光能够为30天、90天、1年，任务情况温度为23 ± 5°C。参考表1-7，总温漂偏差 = √0.0022 + 0.0052 + 0.22 + 0.0072 ≈ 0.2 ppm/°C.斟酌到温度不断定度为±5°C，故总温漂偏差为1 ppm。加上0.9 ppm ADC INL偏差，总掉调偏差 = √12 + 0.92 ≈ 1.35 ppm.参考表1-8，总温漂偏差 = √0.52 + 0.22 + 0.072 ≈ 0.54 ppm/°C.斟酌到温度不断定度为±5°C，故总温漂偏差为2.7 ppm。加上缩小器CMRR偏差跟基准电压源温度滞回偏差，总增益误 差 = √2.72 + 0.12 + 0.12 ≈ 2.70 ppm.依据剖析，对由ADA4523-1 + LT5400-7 + AD4630-24 + ADR1001构成的 旌旗灯号链，估量正确度(Ta = 23 ± 5°C)为± (2.70 ppm ± 1.35 ppm)。差别元器件对时漂指标的测试前提差别。假设整年的任务温度为28°C，则能够应用Arrhenius方程推导出28°C下的减速因子。减速因子盘算公式如下E a a为0.68 eV；k B 为玻尔兹曼常数8.62×10-5eV/K；T op 跟 T stress 分辨为任务温度跟应力测试温度，单元为K。以LT5400为例，数据手册表现2000小时、35°C下，其电阻婚配比的时漂指标参数为< 2 ppm，可应用式1来盘算其1年在28°C下的漂移值。减速因子：这象征着28°C时，2000×1.81 = 3629小时的漂移指标参数为< 2 ppm，那么 1年（8760小时）后，LT5400可能会漂移 √8760/3629 × 2 ppm = 3.1 ppm。同理，ADR1001在1000小时、25°C下的时漂指标参数为4 ppm，1年后 ADR1001可能会漂移13 ppm。ADR1399在1000小时、25°C下的时漂指标参数为7 ppm，1年后ADR1399可能会漂移23 ppm。ADA4523-1的均匀时漂<0.03 μV。表1-9表现，28°C时1年后的估量正确度为± (13.1 ppm + 0.62 ppm)。综合温度带来的不断定性± (2.70 ppm + 1.35 ppm) (Ta = 23 ± 5°C)，终极 1年正确度为：± (13.4 ppm + 1.5 ppm)。表1-9. 1年后偏差剖析表1-10总结了ADA4523-1 + LT5400-7 + AD4630-24 + ADR1001的实践正确度指标参数，与市场上的典范七位半DMM的指标参数邻近。表1-10. 比拟典范DMM与本处理计划的指标参数咱们的实践剖析跟盘算阐明，应用0.1 ppm INL 2 MSPS SAR ADC AD4630、选集成超高温漂ADR1001、低噪声零漂移ADA4523-1跟1 ppm/°C LT5400等器件构建的旌旗灯号链能够实现杰出的正确度机能。 　　申明：新浪网独家稿件，未经受权制止转载。 -->