如何在儀器儀錶應用中實現七位半準確度：第二部分

作者：ADI應用工程師David Guo和Owen Liu


摘要

本文將探討設計高準確度儀器儀錶設備所涉及的挑戰，並介紹由低INL逐次逼近型類比數位轉換器、全整合式超低溫漂精密基準電壓源、四通道匹配電阻網路和零漂移低雜訊放大器組成的高準確度訊號鏈解決方案及其測量結果。

簡介

在對準確度有很高要求的產業裡， 七位半或更高解析度的數位萬用表(DMM)會被使用，這些DMM採用由分立元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，但對於大多數工程師來說，其設計和除錯過程往往過於複雜，因此許多工程師會選擇商用ADC來簡化設計。

在過去的十年裡，24位元Σ-Δ ADC被廣泛應用於六位半DMM設計中。然而，要想實現七位元半準確度和線性度，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，深埋型齊納二極體基準電壓源需要複雜的外部訊號處理電路來實現超低溫度漂移。

這些情況也適用於其他各種有高準確度需求的應用，例如三相標準表、現場儀錶校準器、高準確度資料擷取(DAQ)系統、實驗室電子秤、地震物探儀以及自動化測試設備(ATE)中的源表(SMU)/功率測量單元(PMU)。

本文將介紹由低INL SAR ADC、全整合式超低溫漂精密基準電壓源、四通道匹配電阻網路和零漂移低雜訊放大器組成的高準確度訊號鏈解決方案。我們會提供若干主要指標的實際測量結果，並討論幾個典型應用提供參考。

解決方案和評估系統簡介

高準確度解決方案的評估系統由兩塊板組成：一塊七位元半高準確度訊號鏈板和一塊控制板。

  • 首先，輸入訊號經過EMI濾波器進行差模和共模濾波。然後，訊號進入AFE訊號處理電路，以轉換到ADC輸入範圍內。該AFE電路可確保實現超低溫度漂移、超低雜訊和準確增益，並能良好地驅動SAR ADC。為保障系統準確度和溫度漂移特性，採用ADI的恆溫控制精密基準電壓源 ADR1001來為ADC提供5 V基準電壓，並為AFE電路提供2.5 V共模電壓。
  • 類比數位轉換器選用了ADI最新的兼具低INL和高解析度的SAR ADCAD4630-24。
  • 控制板從ADC收集資料，並將其傳輸到PC。ADI EVAL-AD4630-24的ACE軟體可用於配置AD4630（取樣速率、ADC通道、擷取模式）以及分析ADC資料。

Figure 1. 7.5-digit high accuracy signal chain board.

圖1. 七位元半高準確度訊號鏈板

圖2為評估系統框圖。訊號由直流源產生後，送入訊號鏈板，控制板負責擷取資料並將其透過USB傳送到PC。

Figure 2. Evaluation system setup.

圖2. 評估系統框圖

圖3為八位半DMM測得的直流源線性度曲線。DMM的讀取速率設定為500 PLC（工頻週期）。進行2點校準消除失調誤差和增益誤差後，直流源與DMM總的線性誤差在±0.1 ppm範圍內，顯示直流源性能優異。該直流源可用於評估七位元半高準確度訊號鏈的性能。

Figure 3. Linearity of DC source +8.5-digit DMM.
圖3. 直流源+八位元半DMM的線性度

測試結果

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

雜訊測試

評估訊號鏈板性能的初始步驟是測試其雜訊特性，為後續測試奠定基礎。因為當系統雜訊升高時，可能導致測量的線性度和準確度發生輕微變化，造成整體性能下降。我們共測量了四塊板，其中兩塊板的AFE電路採用ADI的ADA4522,另外兩塊板採用ADA4523-1。具體實驗設定如下：

  • 電路板的兩個輸入接腳短接到地。
  • ADC的取樣速率設定為62.5 kHz或1 MHz，ADC的均值暫存器配置為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據點，讀取速率為5 Hz、10 PLC。總共收集50個資料點來計算有效值雜訊。

ADR1001用於本次實驗的基準電壓源。

表1為四塊板的實測雜訊。

  • ADA4523-1板的雜訊低於ADA4522板。在 62.5 kHz FS下，ADA4523-1板的雜訊約為500 nV rms，即0.05 ppm雜訊(500 nV rms/10 V)。
  • 如果提高取樣速率（例如1 MHz，約為62.5 kHz的16倍），並將輸出速率保持在15 Hz不變，雜訊水準可以降低到大概四分之一。這與過取樣理論的原理一致。
表1. 不同 FS下測得的雜訊結果
板號 實測總雜訊 (FS = 62.5 kHz) 實測總雜訊 (FS = 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

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

  • 如橙色曲線所示，ADA4523-1板的雜訊較低。
  • 兩條曲線表示，總有效值雜訊會隨著輸入訊號的增加而增加。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 雜訊對整體系統雜訊的貢獻更大；(2)輸入訊號來自直流源，但直流源並不理想，其輸出有效值雜訊可能會隨著輸出訊號幅度的增加而增加。
  • 曲線不是單調的，兩條曲線具有相似的特徵。這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.

圖4. 輸入變化時的有效值雜訊（10 PLC讀取速率）

線性度測試

在線性度測試中，ADC取樣速率設定為62.5 kHz，均值暫存器設定為4096，輸出資料速率為15 Hz，擷取30個樣本，讀取平均值，對應100 PLC的讀取速率。

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

表2. 板2 (ADA4523-1)的線性度測試結果
輸入電壓 (mV) ADC讀數 校準後的輸入電壓讀數 誤差 (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

第一列是輸入電壓，第二列是ADC讀數，第三列是對ADC讀數進行2點校準後獲得的實測電壓，第四列是滿量程線性度。表2看出，整個系統的線性度為0.11 ppm。

四塊電路板的線性度如圖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的線性度優於目前七位元半DMM的1.5 ppm線性度。

Figure 5. INL results with the ADR1001 (100 PLC).

圖5. 採用ADR1001的線性度(100 PLC)

ADC取樣速率設定為62.5 kHz，均值暫存器設定為1024，輸出資料速率為60 Hz，擷取12個樣本，讀取平均值，對應10 PLC的讀取速率。此設定通常會帶來更高的雜訊，如圖6所示，線性度降低至±0.32 ppm。

Figure 6. INL results with the ADR1001 (10 PLC).

圖6. 採用ADR1001的線性度(10 PLC)

ADA4522/ADA4523-1 + AD4630-24 + ADR1399

ADR1399的性能與ADI的 LM399類似，後者廣泛用於高準確度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子板透過SMA連接器連接到訊號鏈板。透過此連接向ADC提供基準電壓，並向訊號處理電路提供偏置電壓。ADR1399的典型輸出電壓為7 V， LT5400-1用於衰減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。

每個訊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7是100 PLC下ADR1399的線性度，在±0.3 ppm以內。相較於ADR1001的 0.2 ppm，ADR1399的0.3 ppm稍差一些，但仍然低於典型七位半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出很大差異。

Figure 7. INL results with ADR1399 (100 PLC).

圖7. 採用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8顯示，線性度在±0.4 ppm以內。

Figure 8. INL results with the ADR4550D (100 PLC).

圖8. 採用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

系統的溫漂在100PLC讀取速率條件下來測量。將測試板放入恆溫箱，溫度設定為40°C。待恆溫箱溫度穩定後，透過直流源輸入0 V+、5 V、9 V、0 V-、-5 V、-9 V訊號，並透過ACE軟體讀取ADC讀數。然後，將溫度設定為23°C和0°C，重複上述測試。增益誤差和失調誤差的溫漂按照以下公式計算。請注意，表3中的ADC讀數值為ADC讀數乘以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。

Equation 1.

Equation 2.

表3. 板1的溫漂結果
輸入電壓 ADC讀數 at T = 40° ADC讀數 at T0 = 0° ADC讀數誤差 ppm/°C 誤差類型
0 V+ 5655.7 5802.767 147.067 0.0068481749 失調
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 失調
–5 V 268606411.1 268600957.167 –5522.666 –0.5143258846 增益
–9 V 483485748.533 483476016.2 –9801.066 –0.5070962648 增益
輸入電壓 ADC讀數 at T = 23° ADC讀數 at T0 = 0° ADC讀數誤差 ppm/°C 誤差類型
0 V+ 5738. 5802.767 64.367 0.0052126076 失調
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 失調
–5V 268603652.3 268600957.167 –2776.033 –0.4496207883 增益
–9 V 483480833.567 483476016.2 –4898.267 –0.4407493775 增益

採用不同基準電壓源的電路板的溫漂結果如圖9、圖10和圖11所示。

Figure 9. Temperature coefficient results with the ADR1001.

圖9. 採用ADR1001的溫漂結果

Figure 10. Temperature coefficient results with the ADR1399.

圖10. 採用ADR1399的溫漂結果

Figure 11. Temperature coefficient results with the ADR4550D.

圖11. 採用ADR4550D的溫漂結果

表4比較了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的溫漂結果。根據之前的準確度分析並結合實驗資料，我們得知：

  • LT5400會影響失調誤差溫漂。必須強調的是，在這方面，採用不同基準電壓源的結果沒有明顯區別。
  • LT5400和基準電壓源會影響增益誤差溫漂。採用ADR1001的訊號鏈板具有較卓越的溫漂性能。就溫漂而言，ADR1399和ADR4550D比ADR1001稍遜一籌。
表4. 採用不同基準電壓源的溫漂比較
  採用ADR1001的電路板 採用ADR1399的電路板 9 的電路板採用ADR4550D的電路板 典型七位半DMM 典型八位半DMM
失調誤差/ 量程誤差 (ppm/°C) 0.017 0.016 0.01 1 0.01
增益誤差/ 讀數誤差(ppm/°C) 0.59 1.12 1.44 5 0.5

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，將測試板放入恆溫箱，溫度設定為23°C。待恆溫箱溫度穩定後，透過直流源輸入0 V+、5 V、9 V、0 V–、-5 V、-9 V訊號，並透過ACE軟體讀取ADC資料。24小時後，重複此測試。計算24小時準確度的增益誤差和失調誤差與確定溫漂誤差的過程類似，與前者的區別是沒有溫度變化。

訊號鏈板的24小時準確度結果如圖12、圖13、圖14所示。

Figure 12. 24-hour accuracy results with the ADR1001.

圖12. 採用ADR1001的24小時準確度結果

Figure 13. 24-hour accuracy results with the ADR1399.

圖13. 採用ADR1399的24小時準確度結果

Figure 14. 24-hour accuracy results with the ADR4550D.

圖14. 採用ADR4550D的24小時準確度結果

表5比較了ADR1001、ADR1399和ADR4550D的24小時準確度結果。根據之前的準確度分析並結合實驗資料，我們得知：

  • LT5400會影響失調誤差，並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，而ADR1399和ADR4550D的準確度低於ADR1001。

表5. 比較採用不同基準電壓源的24小時準確度
  採用ADR1001的電路板 採用ADR1399的電路板 採用ADR4550D的電路板 典型七位半DMM 典型八位半DMM
失調誤差/ 量程誤差(ppm/°C) 0.07 0.09 0.2 2 0.05
增益誤差/ 讀數誤差(ppm/°C) 0.55 1.84 9.23 8 0.5

應用聚焦：DMM（數位萬用表）

表6比較了訊號鏈板與典型高準確度DMM的指標參數：

  • ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001或ADR1399的實測性能優於七位元半 DMM。
  • ADA4523 + AD4630 + ADR1399的24小時準確度、線性度和溫漂略遜 於採用ADR1001作為基準的系統。
  • 1年準確度值是根據先前計算得出的理論估計值。基準電壓源的時漂會大幅影響這些指標參數。為了減輕時漂對1年準確度的影響，元件或電路板在安裝和交付給客戶之前都會經過老化測試。此過程有助於消除元件早期的較大漂移。
表6. 典型DMM與本文解決方案的指標比較
  六位半 DMM 七位半 DMM1 七位半 DMM2 八位半 DMM ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001 ADA4523-1 + AD4630 + ADR1399
位數 6.5 7.5 7.5 8.5 7.5 7.5
輸入量程(V) 10 20 10 10 10 9
解析度(ppm) 1 0.1 0.1 0.01 0.05 0.05
24小時準確度(ppm) 15 + 4 7 + 4 8 + 2 0.5 + 0.05 0.55 + 0.07 1.84+0.09
1年準確度(ppm) 35 + 5 24 + 4 16 + 2 8 + 0.05 13.4 + 1.5 （理論） 23.1 + 1.5 （理論）
線性度(ppm) 3 3.5 1.5 0.1 0.2 0.3
雜訊(ppm) 1 0.1 0.1 0.01 0.05 0.05
溫漂 (ppm/°C) 5+1   5+1 0.5 + 0.01 0.59 + 0.017 1.12+0.016

實際的DMM儀器設備比本文討論的更複雜，其中還會額外包含用於輸入保護以及測量電壓、電流和阻抗的電路，這會帶來更多的不確定性。本文重點介紹相對簡單的訊號鏈配置，以展示特定元件的性能。設計工程師在研發高準確度設備時，可以使用這些結果作為參考。

應用聚焦：現場儀錶校準器

壓力計、溫度計和過程儀錶等現場儀錶需要校準。校準器整合了高準確度直流訊號測量模組。下表列出了用於測量±10 V電壓時，校準器的典型指標參數，相關參數與表6中的七位半DMM指標類似。ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001/ADR1399 + LT5400也可用於現場儀錶高準確度校準器中的測量模組。

T表7. 高準確度現場儀錶校準器的典型指標
量程 讀取速率 解析度 24小時準確度(20 ± 1)°C 1年準確度(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

應用聚焦：三相標準表

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

表8. 三相標準電錶的典型指標
  標準電錶1 標準電錶2 ADA4523-1 + AD4630 + ADR1001
基頻 15 Hz至～70 Hz 40 Hz至～1000 Hz 50 Hz
24小時電壓準確度時漂 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（理論）

應用聚焦：高準確度資料擷取器

資料擷取器可用於實現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、熱電耦和電流，通常使用24位元ADC。

硬體設計人員在開發這些資料擷取訊號鏈時，通常需要高輸入阻抗，以直接連接多種感測器。在這種情況下，通常需要增益可程式化使電路適應不同的輸入訊號幅度——單極性或雙極性和單端或差分訊號，具有可變共模電壓。大多數PGIA（可程式化增益儀錶放大器）由單端輸出組成，該輸出不能直接驅動基於全差分、高準確度SAR ADC架構的訊號鏈，需要至少一個訊號處理或驅動級放大器。

圖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卓越。
  • 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。
  • 最後一級由ADA4523-1和LT5401組成，將訊號衰減到ADC輸入範圍內。
  • 結合AD4630-24和ADR4550B使用時，該訊號鏈可用於高準確度資料擷取器應用。

Figure 15. PGIA Circuit 1.

圖15. PGIA電路1

表9列出了不同輸入量程和輸出資料速率(ODR)情況的雜訊指標參數。組合使用ADA4523-1、AD4630和ADR4550B/LTC6655LN可顯著降低雜訊水準，尤其是在±5000 mV量程和±1000 mV量程內。

表9. 不同輸入量程和ODR下的典型雜訊指標
ODR (Hz) 量程 (mV) 傳統資料擷取器有效值雜訊(μV) GIA電路1 RTI有效值雜訊 (μV) (ADR4550B) PGIA電路1 RTI有效值雜訊(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，訊號鏈的線性度和0°C至～40°C溫度範圍內的準確度非常卓越。參見表10，ADA4523-1 + AD4630 + ADR4550B/LTC6655LN實現的準確度，比傳統資料擷取器常見的400 ppm指標高出十倍。

表10. 不同增益下的線性度和準確度(0°C至～40°C)
  線性度， 0°C至～40°C (ADR4550B) 線性度， 0°C至～40°C (LTC6655LNB) 準確度 (ADR4550B) 準確度 (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)

圖16為另一種PGIA AFE解決方案，使用了兩級電路來降低電路的雜訊。該電路透過使用不同的LT5400-X元件提供各種增益選項，使用者可根據具體要求配置不同的增益。

  • 連接多工器的S1A時，增益 = 1
  • 連接多工器的S3A時，增益 = 5
  • 連接多工器的S2A時，增益 = 21

Figure 16. PGIA Circuit 2.

圖16. PGIA電路

表11比較了PGIA電路1和電路2的RTI有效值雜訊。電路2在高增益和高ODR情況下表現出較低的雜訊。兩個PGIA電路的線性度和0°C至～40°C溫度範圍內的準確度測試結果相似。

表11. 兩個PGIA電路的RTI雜訊
ODR (Hz) 增益 PGIA電路1 RTI有效值雜訊(μV PGIA電路2 RTI有效值雜訊(μV)
19000 1 25 or 21 3.31 1.08 3.37 0.82
50 1 25 or 21 0.155 0.058 0.159 0.051
5 1 25 or 21 0.083 0.018 0.085 0.018

結論

DMM等精密儀器應用通常使用Σ-Δ ADC。然而，由於INL指標的限制，實現更好的線性度和更高的準確度可能很困難。此外，深埋型齊納二極體基準電壓源的外部訊號處理設計過於複雜，對於尋求提升現有產品性能的客戶來說是一個瓶頸。

透過利用0.1 ppm INL 2 MSPS SAR AD4630-24、全整合式超低溫 ADR1001、低雜訊零漂移ADA4523-1和1 ppm/°C LT5400等元件，類比前端訊號鏈可以實現非常卓越的指標性能：0.6 ppm 24小時準確度、0.2 ppm線性度、0.05 ppm雜訊和0.6 ppm/°C溫漂。這些實際測量結果與本系列文章第一部分中介紹的理論分析和計算基本吻合。因此，該訊號鏈非常適用於各種高準確度應用，包括DMM、現場儀錶校準器、三相標準電錶和高準確度資料擷取器等。

參考資料

Barry Harvey，「您真的能透過運算放大器實現ppm級準確度嗎？」《類比對話》，第53卷第3期，2019年7月。

Maithil Pachchigar和John Neeko Garlitos，「如何為寬頻的精密訊號鏈設計可程式化增益儀錶放大器”」，《類比對話》，第56卷，第4期，2022年10月。