基于1ppm DAC的精密儀器儀表設計
加入技術交流群
*熱電電壓
熱電電壓是塞貝克（Seebeck）效應的結果：異質金屬結面處會產生與溫度相關的電壓。所產生的電壓在0.2μV/℃（銅-銅結面）至1mV/℃（銅-銅氧化物結面）之間。
熱電電壓表現為與1/f噪聲相似的低頻漂移。使所有連接保持整潔，消除氧化物，并且屏蔽電路使其不受氣流影響，可以大幅降低熱電電壓。下圖顯示了開放式電路與屏蔽式電路在電壓漂移上的差異。
開放式系統和封閉式系統的電壓漂移與時間關系
精密模擬IC雖然很穩定，但確實會發生長期老化變化。DAC的長期穩定性一般好于0.1ppm/1000小時，但老化不具累積性質，而是遵循平方根規則。若某個器件的老化速度為1ppm/1000小時，則2000小時老化2ppm，3000小時老化3ppm，依此類推。一般地，溫度每降低25°C，時間就會延長10倍；因此，當工作溫度為100°C時，在10000小時的期間（約60星期），預計老化為0.1ppm。以此類推，在10年期間，預計老化為0.32ppm。
電路構建和布局
在注重精度的電路中，精心考慮電源和接地回路布局有助于確保達到額定性能。在設計PCB時，應采用模擬部分與數字部分相分離的設計，并限制在電路板的不同區域內。
必須采用足夠大（10μF）的電源旁路電容，與每個電源上的0.1μF電容并聯，并且盡可能靠近封裝。這些電容應具有低等效串聯電阻和低等效串聯電感。各電源線路上若串聯一個鐵氧體磁珠，則可進一步降低通過器件的高頻噪聲。
電源線路應采用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響。時鐘等快速開關信號應利用數字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲，并且絕不應靠近基準輸入或位于封裝之下。避免數字信號與模擬信號交叉，且它們在電路板相反兩側上的走線應彼此垂直，以減小電路板的饋通影響。
構建1ppm模數轉換解決方案
一種典型的現代1ppm模數轉換解決方案由兩個16位數模轉換器構成——一個主DAC和一個輔助DAC。其輸出經縮放和組合后產生更高的分辨率。主DAC輸出與經衰減的輔助DAC輸出相加，使輔助DAC填補主DAC LSB步長之間的分辨率間隙。
組合后的輸出需要具備單調性，但線性度無需極高，因為高性能是通過精密模數轉換器的恒定電壓反饋取得的，該轉換器會校正固有的元件誤差。因此，電路精度受ADC的限制而不受限于DAC。然而，由于要求恒定電壓反饋以及不可避免的環路延遲，這種解決方案速度較慢，建立時間可能長達數秒。
盡管這種電路能夠取得1ppm的精度，但設計難度較大，很可能需要重復設計多次，而且需要通過軟件引擎和精密ADC來實現目標精度。為了保證1ppm的精度，ADC還需進行校準，因為目前市場上還沒有保證1ppm線性度的ADC。此處所示框圖只是概念的展示，真實的電路要復雜得多，涉及多個增益、衰減和求和級，并包括許多元件。
同時還需要數字電路，以方便DAC與ADC之間的接口，更不用說用于誤差校正的軟件了。
評論