七位半高精度DAQ如何設計？ADI工程師帶你實測對比！

數據采集系統（DAQ）是現代電子設備中不可或缺的一部分，主要用于高精度地捕獲電子設備和傳感器產生的信號，以便進行實時處理、硬件在環仿真、自動測試以及數據記錄等應用。

對于需要達到七位半甚至更高精度的數據采集系統，業界傳統上多采用基于分立器件的多斜率積分型ADC。雖然這種ADC能提供合理的測量精度，但其設計與調試過程通常更為復雜。 在過去十年多時間里，24位Σ-Δ ADC被廣泛應用于六位半數字萬用表（DMM）的設計中，而更高性能的ADC則成為了達到七位半精度和線性度的瓶頸。同時，還有另一個顯著挑戰來源于電壓基準。為了實現超低的溫度漂移，傳統的納伏級電壓基準通常需要復雜的外部信號調理電路。

為了解決這些高精度DAQ的設計瓶頸，ADI推出了創新的解決方案。結合24位、2 MSPS、具備最大 ±0.9 ppm INL的AD4630-24，搭配全集成超低漂移精密基準ADR1001，以及精密匹配電阻網絡LT5400和零漂移低噪聲放大器ADA4523-1，即可構建出低溫漂、低噪聲的高精度信號鏈解決方案。 本文將圍繞該解決方案進行詳細介紹。

Part.0 1器件選型ADC方面：

ADI的 AD463X 系列ADC包含2 MSPS或500 kSPS的采樣速率版本。該系列具有業界領先的INL性能和極高的性價比，非常適合儀器儀表等應用。AD463X集成了Easy Drive功能，方便驅動；具備寬共模輸入范圍，進一步放寬了對驅動器的要求；內部集成了平均濾波器，并支持高達30比特的數據輸出。此外，ADI還提供了單通道的AD403X系列，與AD463X系列相比，其噪聲性能提升了3dB，其他性能與AD463X系列類似。

基準方面：

ADR1399： 具有0.2 PPM/℃的超低溫漂、1.44μV p-p的超低噪聲以及優異的長期漂移性能。低動態阻抗使其非常適合作為六位半以上DMM的基準。

ADR1000： 相較于LTZ1000，ADR1000在噪聲方面有所提升，初始精度為±50mV，相比LTZ1000也有一定改善。它同樣具有超低長期漂移、0.9μV p-p的超低噪聲，內置片上加熱和溫度傳感器，廣泛應用于DMM和高精密測量系統。

ADR1001： 最新推出的ADR1001集成了Buffer和精密電阻，無需大量分立器件，極大地提升了客戶使用的便利性。它的溫漂性能可與LTZ1000媲美，同時具有超低的噪聲性能。

對以上幾種基準進行總結，經過對比可以看出，最新的ADR1001無論在輸出噪聲、溫漂還是長期漂移方面，都處于最頂尖的水平，同時其高集成度方便了客戶的使用。其他幾種基準的性能也處于業界頂尖水平，廣泛應用于六位半到八位半的DMM中，客戶可以根據自己的需求進行靈活選擇。

放大器方面：

ADA4522： 這是一款高壓零漂移低噪聲放大器，最高供電電壓可達55V。它具有5.8nV/√Hz 的電壓噪聲密度和超低的22nV/℃偏置電壓漂移，廣泛應用于手持和臺式測量儀器。

ADA4523-1 ： 這是最新推出的放大器，具有4.2nV/√Hz的電壓噪聲密度和88nV p-p的低頻噪聲，被稱為業界最低噪聲的零漂移放大器。其偏置電壓漂移只有10nV /℃，增益帶寬積為5MHz，比ADA4522更寬。下圖對比了ADA4523、ADA4522以及其他公司產品的性能。

ADA4620 ： 具備超低電壓噪聲，同時兼具優異的直流和交流性能，其JFET輸入級非常適合作為儀器儀表的第一級高阻抗輸入放大器。

精密電阻方面：

ADI也提供特色的精密電阻網絡產品 LT5400 ，具有0.01%的電阻匹配度和0.2 PPM/℃的匹配溫漂特性，同時擁有卓越的長期穩定性和多種電阻阻值匹配可供選擇。

Part.0 2實驗設置

本次七位半DAQ方案采用了AD4630-24作為ADC，ADR1001作為基準。信號調理部分通過ADA4523和LT5400來實現將±10V的輸入范圍轉換為ADC所需的0-5V輸入范圍。電源部分采用了DC-DC與LDO相結合的方式，分別為模擬和數字部分供電。具體采用了ADI Silent Switcher 2的LT8609S ，以及超低噪聲LDO LT3045和LT3093。此外，也可以選用雙通道超低噪聲LDO LT3097來替代后兩顆器件。

Part.0 3測試結果噪聲方面：

在輸入短路的條件下進行了噪聲測試，采樣率設置為62.5KHz和1MHz，輸出速率均為10 PLC。得到的噪聲結果如下圖所示 。可以看到，在62.5KHz采樣率下，使用ADA4523的DAQ噪聲大約為500 nVRMS，這意味著0.05 PPM的噪聲水平。在更高采樣率下，相同輸出速率對應著更低的噪聲，因此1Mhz采樣率下的噪聲大約為62.5KHz采樣率下的四分之一。

線性度方面：

首先在100 PLC輸出速率下進行了測試，結果顯示INL不超過0.2 PPM。在10 PLC的輸出速率下，INL不超過0.32 PPM，這主要受到噪聲的影響。更換基準后，使用ADR1399時，INL大約為0.3PPM；使用AD4550D時 ，INL約為0.4 PPM。

溫度系數測試：

溫度系數的測試在100 PLC輸出速率下進行，測試溫度設置為40℃、23℃和0℃，分別設置不同的輸入電壓，并比較不同溫度下的變化。如圖表所示 ，為使用不同基準的DAQ的溫度系數測量結果。由于LT5400決定了偏移誤差，因此不同基準下的偏移誤差結果比較接近。同時，LT5400和基準對于增益誤差影響較大，從表中可以看出，使用ADR1001作為基準的DAQ的增益誤差特性會更好一些。

24小時穩定性測試：

24小時穩定性的測試結果如下所示 。同樣的，以ADR1001為基準的DAQ的結果會更好一些。

與市場DMM對比：

這張表格 對比了市面上現有的DMM與我們測試的DAQ的結果。可以看到，本次測試的DAQ結果介于七位半和八位半之間。需要指出的是，真實的DMM包含了更復雜的電路，如輸入保護、電壓、電流、阻抗測量等。該DAQ的測試結果僅用來驗證使用這些高性能芯片構建的信號鏈所能達到的性能水平。