如何在仪器仪表应用中实现七位半准确度：第二部分

by David Guo 和 Owen Liu

2024-07-09

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如何在仪器仪表应用中实现七位半准确度：第一部分

摘要

本文将探讨设计高准确度仪器仪表设备所涉及的挑战，并介绍了由低INL逐次逼近型模数转换器、全集成式超低温漂精密基准电压源、四通道匹配电阻网络和零漂移低噪声放大器组成的高准确度信号链解决方案及其测量结果。

简介

在对准确度有很高要求的行业里，七位半或更高分辨率的数字万用表(DMM)会被使用，这些DMM采用由分立元器件搭建的多斜率积分ADC。这些ADC虽然可以提供合理准确度的测量结果，但对于大多数工程师来说，其设计和调试过程往往过于复杂，因此许多工程师会选择商用ADC来简化设计。

在过去的十年里，24位Σ-Δ ADC被广泛应用于六位半DMM设计中。然而，要想实现七位半准确度和线性度，就必须使用更高性能的ADC。此外，基准电压问题也带来了挑战，深埋型齐纳二极管基准电压源需要复杂的外部信号调理电路来实现超低温度漂移。

这些情况也适用于其他各种有高准确度需求的应用，例如三相标准表、现场仪表校准器、高准确度数据采集(DAQ)系统、实验室电子秤、地震物探仪以及自动测试设备(ATE)中的源表(SMU)/功率测量单元(PMU)。

本文将介绍由低INL SAR ADC、全集成式超低温漂精密基准电压源、四通道匹配电阻网络和零漂移低噪声放大器组成的高准确度信号链解决方案。我们会提供若干主要指标的实际测量结果，并讨论几个典型应用供读者参考。

解决方案和评估系统简介

高准确度解决方案的评估系统由两块板组成：一块七位半高准确度信号链板和一块控制板。

首先，输入信号经过EMI滤波器进行差模和共模滤波。然后，信号进入AFE信号调理电路，以转换到ADC输入范围内。该AFE电路可确保实现超低温度漂移、超低噪声和准确增益，并能很好地驱动SAR ADC。为保障系统准确度和温度漂移特性，采用ADI公司的恒温控制精密基准电压源 ADR1001来为ADC提供5 V基准电压，并为AFE电路提供2.5 V共模电压。
模数转换器选用了ADI最新的兼具低INL和高分辨率的SAR ADC AD4630-24。
控制板从ADC收集数据，并将其传输到PC。ADI EVAL-AD4630-24 的ACE软件可用于配置AD4630（采样速率、ADC通道、采集模式）以及分析ADC数据。

Figure 1. 7.5-digit high accuracy signal chain board. — 图1. 七位半高准确度信号链板

图2为评估系统框图。信号由直流源产生后，送入信号链板，控制板负责采集数据并将其通过USB传送到PC。

Figure 2. Evaluation system setup. — 图2. 评估系统框图

图3为八位半DMM测得的直流源线性度曲线。DMM的读取速率设置为500 PLC（工频周期）。进行2点校准消除失调误差和增益误差后，直流源与DMM总的线性误差在±0.1 ppm范围内，表明直流源性能优异。该直流源可用于评估七位半高准确度信号链的性能。

Figure 3. Linearity of DC source +8.5-digit DMM. — 图3. 直流源+八位半DMM的线性度

测试结果

为了全面评估信号链板的性能，测试分四步进行：噪声测试、线性度测试、温漂(TC)测试和24小时准确度测试。

噪声测试

评估信号链板性能的初始步骤是测试其噪声特性，为后续测试奠定基础。因为当系统噪声升高时，可能导致测量的线性度和准确度发生轻微变化，造成整体性能下降。我们共测量了四块板，其中两块板的AFE电路采用ADI公司的 ADA4522,另外两块板采用 ADA4523-1。具体实验设置如下：

电路板的两个输入引脚短接到地。
ADC的采样速率设置为62.5 kHz或1 MHz，ADC的均值寄存器配置为4096或65536。最终输出速率固定在15 Hz。
取三个样本的平均值得到一个数据点，读取速率为5 Hz、10 PLC。总共收集50个数据点来计算有效值噪声。

ADR1001用作本次实验的基准电压源。

表1为四块板的实测噪声。

ADA4523-1板的噪声低于ADA4522板。在 62.5 kHz F_S下，ADA4523-1板的噪声约为500 nV rms，即0.05 ppm噪声(500 nV rms/10 V)。
如果提高采样速率（例如1 MHz，约为62.5 kHz的16倍），并将输出速率保持在15 Hz不变，噪声水平可以降低到大概四分之一。这与过采样理论的原理一致。

表1. 不同 F_S下测得的噪声结果
板号	实测总噪声 (F_S = 62.5 kHz)	实测总噪声 (F_S = 1 MHz)
板 1 (ADA4522)	727.27 nV	242.42 nV
板 2 (ADA4523-1)	530.73 nV	122.02 nV
板 3 (ADA4522)	818.18 nV	318.18 nV
板 4 (ADA4523-1)	439.39 nV	121.21 nV

图4为输入变化时板3、板4的有效值噪声，此时读取速率为10 PLC (F_S = 1 MHz).

如橙色曲线所示，ADA4523-1板的噪声较低。
两条曲线表明，总有效值噪声会随着输入信号的增加而增加。这可能是由以下两个原因造成的：(1)随着输入 (V_IN) 的提高， V_IN/V_REF比率增大，导致 V_REF 噪声对整体系统噪声的贡献更大；(2)输入信号来自直流源，但直流源并不理想，其输出有效值噪声可能会随着输出信号幅度的增加而增加。
曲线不是单调的，两条曲线具有相似的特征。这可能是由直流源的非理想特性引起的。

Figure 4. Rms noise with input at 10 PLC reading rate. — 图4. 输入变化时的有效值噪声（10 PLC读取速率）

线性度测试

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001的评估

在线性度测试中，ADC采样速率设置为62.5 kHz，均值寄存器设置为4096，输出数据速率为15 Hz，采集30个样本，读取平均值，对应100 PLC的读取速率。

直流源产生±9 V信号作为输入。选择±9 V输入信号是为了同时比较ADR1001、ADR1399和 ADR4550 D 级的性能。板2 (ADA4523-1)的结果如表2所示。

表2. 板2 (ADA4523-1)的线性度测试结果
输入电压 (mV)	ADC读数	校准后的输入电压读数	误差 (ppm)
9000	–483369652.3	–9000	0
8000	–429662903.8	–7999.999873	0.0141
7000	–375956223.4	–7000.001015	–0.1128
6000	–322249399.4	–5999.999482	0.0576
5000	–268542733	–5000.000884	–0.0982
4000	–214835963	–4000.000357	–0.0396
3000	–161129232.7	–3000.00057	–0.0633
2000	–107422478.8	–2000.000342	–0.0379
1000	–53715760.87	–1000.000785	–0.0872
0	–8977.033	0	0
0	–7377.033	0	0
–1000	53699320.73	999.9992934	–0.0785
–2000	107406047.8	1999.999132	–0.0964
–3000	161112827.2	2999.999945	–0.0061
–4000	214819567.7	4000.000034	0.0038
–5000	268526316.7	5000.000282	0.0313
–6000	322232987	5999.999065	–0.1039
–7000	375939825.3	7000.000974	0.1083
–8000	429646511.3	8000.000048	0.0053
–9000	483353244.4	9000	0

第一列是输入电压，第二列是ADC读数，第三列是对ADC读数进行2点校准后获得的实测电压，第四列是满量程线性度。表2看出，整个系统的线性度为0.11 ppm。

四块电路板的线性度如图5所示。如图所示，四块电路板的线性度均不超过0.2 ppm，与AD4630-24的典型INL指标相匹配。0.2 ppm的线性度优于目前七位半DMM的1.5 ppm线性度。

Figure 5. INL results with the ADR1001 (100 PLC). — 图5. 采用ADR1001的线性度(100 PLC)

ADC采样速率设置为62.5 kHz，均值寄存器设置为1024，输出数据速率为60 Hz，采集12个样本，读取平均值，对应10 PLC的读取速率。此设置通常会带来更高的噪声，如图6所示，线性度降低至±0.32 ppm。

Figure 6. INL results with the ADR1001 (10 PLC). — 图6. 采用ADR1001的线性度(10 PLC)

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1399

ADR1399的性能与ADI公司的 LM399 类似，后者广泛用于高准确度DMM。为了评估ADR1399作为ADC基准电压源的性能，我们断开ADR1001输出与ADC的连接，ADR1399子板通过SMA连接器连接到信号链板。通过此连接向ADC提供基准电压，并向信号调理电路提供偏置电压。ADR1399的典型输出电压为7 V，LT5400-1用于衰减ADR1399的输出，以获得4.67 V的ADC基准电压和2.33 V的偏置电压。因此，测试中使用±9 V输入电压量程。

每个信号链板均配备单独的ADR1399子板。板1和板2的ADR1399封装为LCC，板3和板4的ADR1399封装为TO-46。

图7是100 PLC下ADR1399的线性度，在±0.3 ppm以内。与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 线性度。此外，ADR1399的LCC封装和TO-46封装在线性度测量结果方面没有表现出很大差异。

Figure 7. INL results with ADR1399 (100 PLC). — 图7. 采用ADR1399的线性度(100 PLC)

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR4550D

将ADR4550D子板连接到板3和4，以测量线性度指标。图8显示，线性度在±0.4 ppm以内。

Figure 8. INL results with the ADR4550D (100 PLC). — 图8. 采用ADR4550D的线性度(100 PLC)

温漂测试

典型七位半DMM的温漂为5 ppm + 1 ppm；典型八位半DMM的温漂为 0.5 ppm + 0.01 ppm

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001

系统的温漂在100PLC读取速率条件下来测量。将测试板放入恒温箱，温度设定为40°C。待恒温箱温度稳定后，通过直流源输入0 V+、5 V、9 V、0 V-、-5 V、-9 V信号，并通过ACE软件读取ADC读数。然后，将温度设置为23°C和0°C，重复上述测试。增益误差和失调误差的温漂按照以下公式计算。请注意，表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，所以分母是输入电压的一半。

表3. 板1的温漂结果
输入电压	ADC读数 at T = 40°	ADC读数 at T₀ = 0°	ADC读数误差	ppm/°C	误差类型
0 V+	5655.7	5802.767	147.067	0.0068481749	失调
5 V	–268593323.267	–268587481.167	5695.033	0.5303784233	增益
9 V	–483472282.7	–483461764.133	10371.5	0.5366098861	增益
0 V–	7360.167	7428.9	68.733	0.0032005521	失调
–5 V	268606411.1	268600957.167	–5522.666	–0.5143258846	增益
–9 V	483485748.533	483476016.2	–9801.066	–0.5070962648	增益
输入电压	ADC读数 at T = 23°	ADC读数 at T₀ = 0°	ADC读数误差	ppm/°C	误差类型
0 V+	5738.	5802.767	64.367	0.0052126076	失调
5 V	–268590538.167	–268587481.167	2992.633	0.4847024544	增益
9 V	–483467520.6	–483461764.133	5692.1	0.5121790077	增益
0 V–	7348	7428.9	80.9	0.0065514930	失调
–5V	268603652.3	268600957.167	–2776.033	–0.4496207883	增益
–9 V	483480833.567	483476016.2	–4898.267	–0.4407493775	增益

采用不同基准电压源的电路板的温漂结果如图9、图10和图11所示。

Figure 9. Temperature coefficient results with the ADR1001. — 图9. 采用ADR1001的温漂结果

Figure 10. Temperature coefficient results with the ADR1399. — 图10. 采用ADR1399的温漂结果

Figure 11. Temperature coefficient results with the ADR4550D. — 图11. 采用ADR4550D的温漂结果

表4比较了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的温漂结果。根据之前的准确度分析并结合实验数据，我们得知：

LT5400会影响失调误差温漂。必须强调的是，在这方面，采用不同基准电压源的结果没有明显区别。
LT5400和基准电压源会影响增益误差温漂。采用ADR1001的信号链板具有较出色的温漂性能。就温漂而言，ADR1399和ADR4550D比ADR1001稍逊一筹。

表4. 采用不同基准电压源的温漂比较
	采用ADR1001的电路板	采用ADR1399的电路板	9 的电路板采用ADR4550D的电路板	典型七位半DMM	典型八位半DMM
失调误差/ 量程误差(ppm/°C)	0.017	0.016	0.01	1	0.01
增益误差/ 读数误差(ppm/°C)	0.59	1.12	1.44	5	0.5

24小时准确度测试

典型七位半DMM的24小时准确度为8 ppm + 2 ppm，而八位半DMM的24小时准确度为0.5 ppm + 0.05 ppm。

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1001

24小时准确度是在100PLC读取速率下来测量的。首先，将测试板放入恒温箱，温度设定为23°C。待恒温箱温度稳定后，通过直流源输入0 V+、5 V、9 V、0 V–、-5 V、-9 V信号，并通过ACE软件读取ADC数据。24小时后，重复此测试。计算24小时准确度的增益误差和失调误差与确定温漂误差的过程类似，与前者的区别是没有温度变化。

信号链板的24小时准确度结果如图12、图13、图14所示。

Figure 12. 24-hour accuracy results with the ADR1001. — 图12. 采用ADR1001的24小时准确度结果

Figure 13. 24-hour accuracy results with the ADR1399. — 图13. 采用ADR1399的24小时准确度结果

Figure 14. 24-hour accuracy results with the ADR4550D. — 图14. 采用ADR4550D的24小时准确度结果

表5比较了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的24小时准确度结果。根据之前的准确度分析并结合实验数据，我们得知：

LT5400会影响失调误差，并且不同基准电压源之间没有任何明显差异。

LT5400和基准电压源的时漂会影响增益误差。在所有电路板中，ADR1001的24小时准确度性能更优，而ADR1399和ADR4550D的准确度低于ADR1001。

表5. 比较采用不同基准电压源的24小时准确度
	采用ADR1001的电路板	采用ADR1399的电路板	采用ADR4550D的电路板	典型七位半DMM	典型八位半DMM
失调误差/ 量程误差(ppm/°C)	0.07	0.09	0.2	2	0.05
增益误差/ 读数误差(ppm/°C)	0.55	1.84	9.23	8	0.5

应用聚焦：DMM（数字万用表）

表6比较了信号链板与典型高准确度DMM的指标参数：

ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001或ADR1399的实测性能优于七位半 DMM。
ADA4523 + AD4630 + ADR1399的24小时准确度、线性度和温漂略逊于采用ADR1001作为基准的系统。
1年准确度值是根据先前计算得出的理论估计值。基准电压源的时漂会大幅影响这些指标参数。为了减轻时漂对1年准确度的影响，元器件或电路板在安装和交付给客户之前都会经过老化测试。此过程有助于消除元器件早期的较大漂移。

表6. 典型DMM与本文解决方案的指标比较
	六位半 DMM	七位半 DMM1	七位半 DMM2	八位半 DMM	ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001	ADA4523-1 + AD4630 + ADR1399
位数	6.5	7.5	7.5	8.5	7.5	7.5
输入量程(V)	10	20	10	10	10	9
分辨率(ppm)	1	0.1	0.1	0.01	0.05	0.05
24小时准确度(ppm)	15 + 4	7 + 4	8 + 2	0.5 + 0.05	0.55 + 0.07	1.84+0.09
1年准确度(ppm)	35 + 5	24 + 4	16 + 2	8 + 0.05	13.4 + 1.5 （理论）	23.1 + 1.5 （理论）
线性度(ppm)	3	3.5	1.5	0.1	0.2	0.3
噪声(ppm)	1	0.1	0.1	0.01	0.05	0.05
温漂(ppm/°C)	5+1		5+1	0.5 + 0.01	0.59 + 0.017	1.12+0.016

实际的DMM仪器设备比本文讨论的更复杂，其中还会额外包含用于输入保护以及测量电压、电流和阻抗的电路，这会引入更多的不确定性。本文重点介绍相对简单的信号链配置，以展示特定器件的性能。设计工程师在研发高准确度设备时，可以使用这些结果作为参考。

应用聚焦：现场仪表校准器

压力计、温度计和过程仪表等现场仪表需要校准。校准器集成了高准确度直流信号测量模块。下表列出了用于测量±10 V电压时，校准器的典型指标参数，相关参数与表6中的七位半DMM指标类似。ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001/ADR1399 + LT5400也可用于现场仪表高准确度校准器中的测量模块。

表7. 高准确度现场仪表校准器的典型指标
量程	读取速率	分辨率	24小时准确度(20 ± 1)°C	1年准确度(20 ± 1)°C	TC
±10 V	低	1 μV	2 ppm + 0.05 ppm	14 ppm + 0.08 ppm	1 ppm + 0.3 μV
	中	1 μV	2 ppm + 0.35 ppm	14 ppm + 0.38 ppm
	高	10 μV	2.6 ppm + 1.05 ppm	14.6 ppm + 1.08 ppm

应用聚焦：三相标准表

测试单相或三相功率表和电能表时，标准电表用作参考级标准。为了进行准确测试，该器件在电源频率（50 Hz或60 Hz）下需要具有非常高的准确度。表8列出了三相标准表的典型指标。对于ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001信号链，24小时电压准确度和漂移指标与这些标准表相似。

表8. 三相标准电表的典型指标
	标准电表1	标准电表2	ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001
基频	15 Hz至～70 Hz	40 Hz至～1000 Hz	50 Hz
24小时电压准确度时漂	40 ppm + 10 ppm 0.5 ppm/K <15 ppm/年	12 ppm + 8 ppm 0.4 ppm/K 15 ppm/年	14 ppm + 1 ppm 0.54 ppm/K 15 ppm/年（理论）

应用聚焦：高准确度数据采集器

数据采集器可用于实现多种测量和控制功能。为了在不同幅度和频率下高准确度地测量电压、热电偶和电流，通常使用24位ADC。

硬件设计人员在开发这些数据采集信号链时，通常需要高输入阻抗，以直接连接多种传感器。在这种情况下，通常需要增益可编程使电路适应不同的输入信号幅度——单极性或双极性和单端或差分信号，具有可变共模电压。大多数PGIA（可编程增益仪表放大器）由单端输出组成，该输出不能直接驱动基于全差分、高准确度SAR ADC架构的信号链，需要至少一个信号调理或驱动级放大器。

图15为PGIA AFE解决方案1：

选择ADA4523-1和LT5400/LT5401是因为其温漂指标性能比较出色。
选择ADG5234是因为其电容较低。
第一级增益为1或5，第二级增益也是1或5。通过切换ADG5234，总增益可以是1、5或25。
最后一级由ADA4523-1和LT5401组成，将信号衰减到ADC输入范围内。
结合AD4630-24和ADR4550B使用时，该信号链可用于高准确度数据采集器应用。

Figure 15. PGIA Circuit 1. — 图15. PGIA电路1

表9列出了不同输入量程和输出数据速率(ODR)情况的噪声指标参数。组合使用ADA4523-1、AD4630和ADR4550B/LTC6655LN可显著降低噪声水平，尤其是在±5000 mV量程和±1000 mV量程内。

表9. 不同输入量程和ODR下的典型噪声指标
ODR (Hz)	量程(mV)	传统数据采集器有效值噪声(μV)	PGIA电路1 RTI有效值噪声(μV) (ADR4550B)	PGIA电路1 RTI有效值噪声(μV) (LTC6655LNB)
15000	±5000 ±1000 ±200	11.8 2.6 1.0	3.3 1.08 0.93	3.0 1.08 0.93
50	±5000 ±1000 ±200	0.88 0.2 0.08	0.15 0.07 0.06	0.15 0.06 0.06
5	±5000 ±1000 ±200	0.28 0.07 0.03	0.08 0.03 0.02	0.08 0.03 0.02

此外，信号链的线性度和0°C至～40°C温度范围内的准确度非常出色。参见表10，ADA4523-1 + AD4630 + ADR4550B/LTC6655LN实现的准确度，比传统数据采集器常见的400 ppm指标高出十倍。

表10. 不同增益下的线性度和准确度(0°C至～40°C)
	线性度， 0°C至～40°C (ADR4550B)	线性度， 0°C至～40°C (LTC6655LNB)	准确度 (ADR4550B)	准确度 (LTC6655LNB
增益 = 1	0.39 ppm	0.24 ppm	±(42 ppm + 2.9 ppm)	±(54 ppm + 6.1 ppm)
增益 = 5	0.16 ppm	0.12 ppm	±(45 ppm + 4.6 ppm)	±(54 ppm + 5.4 ppm)
增益 = 25	1.31 ppm	2.26 ppm	±(48 ppm + 14 ppm)	±(58 ppm + 14 ppm)

图16为另一种PGIA AFE解决方案，使用了两级电路来降低电路的噪声。该电路通过使用不同的LT5400-X器件提供各种增益选项，用户可根据具体要求配置不同的增益。

连接多路复用器的S1A时，增益 = 1
连接多路复用器的S3A时，增益 = 5
连接多路复用器的S2A时，增益 = 21

Figure 16. PGIA Circuit 2. — 图16. PGIA电路

表11比较了PGIA电路1和电路2的RTI有效值噪声。电路2在高增益和高ODR情况下表现出较低的噪声。两个PGIA电路的线性度和0°C至～40°C温度范围内的准确度测试结果相似。

表11. 两个PGIA电路的RTI噪声
ODR (Hz)	增益	PGIA电路1 RTI有效值噪声(μV	PGIA电路2 RTI有效值噪声(μV)
19000	1 25或21	3.31 1.08	3.37 0.82
50	1 25或21	0.155 0.058	0.159 0.051
5	1 25或21	0.083 0.018	0.085 0.018

结论

DMM等精密仪器应用通常使用Σ-Δ ADC。然而，由于INL指标的限制，实现更好的线性度和更高的准确度可能很困难。此外，深埋型齐纳二极管基准电压源的外部信号调理设计过于复杂，对于寻求提升现有产品性能的客户来说是一个瓶颈。

通过利用0.1 ppm INL 2 MSPS SAR AD4630-24、全集成式超低温 ADR1001、低噪声零漂移ADA4523-1和1 ppm/°C LT5400等器件，模拟前端信号链可以实现非常出色的指标性能：0.6 ppm 24小时准确度、0.2 ppm线性度、0.05 ppm噪声和0.6 ppm/°C温漂。这些实际测量结果与本系列文章第一部分中介绍的理论分析和计算基本吻合。因此，该信号链适用于各种高准确度应用，包括DMM、现场仪表校准器、三相标准电表和高准确度数据采集器等。