數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）是現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的一部分，主要用于高精度地捕獲電子設(shè)備和傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、硬件在環(huán)仿真、自動(dòng)測(cè)試以及數(shù)據(jù)記錄等應(yīng)用。

對(duì)于需要達(dá)到七位半甚至更高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，業(yè)界傳統(tǒng)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(cè)量精度，但其設(shè)計(jì)與調(diào)試過程通常更為復(fù)雜。在過去十年多時(shí)間里，24位Σ-Δ ADC被廣泛應(yīng)用于六位半數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）的設(shè)計(jì)中，而更高性能的ADC則成為了達(dá)到七位半精度和線性度的瓶頸。同時(shí)，還有另一個(gè)顯著挑戰(zhàn)來源于電壓基準(zhǔn)。為了實(shí)現(xiàn)超低的溫度漂移，傳統(tǒng)的納伏級(jí)電壓基準(zhǔn)通常需要復(fù)雜的外部信號(hào)調(diào)理電路。

為了解決這些高精度DAQ的設(shè)計(jì)瓶頸，ADI推出了創(chuàng)新的解決方案。結(jié)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(zhǔn)ADR1001，以及精密匹配電阻網(wǎng)絡(luò)LT5400和零漂移低噪聲放大器ADA4523-1，即可構(gòu)建出低溫漂、低噪聲的高精度信號(hào)鏈解決方案。本文將圍繞該解決方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。

Part.01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(yè)界領(lǐng)先的INL性能和極高的性價(jià)比，非常適合儀器儀表等應(yīng)用。AD463X集成了Easy Drive功能，方便驅(qū)動(dòng)；具備寬共模輸入范圍，進(jìn)一步放寬了對(duì)驅(qū)動(dòng)器的要求；內(nèi)部集成了平均濾波器，并支持高達(dá)30比特的數(shù)據(jù)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(zhǔn)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(yōu)異的長(zhǎng)期漂移性能。低動(dòng)態(tài)阻抗使其非常適合作為六位半以上DMM的基準(zhǔn)。

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(zhǎng)期漂移、0.9μV p-p的超低噪聲，內(nèi)置片上加熱和溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于DMM和高精密測(cè)量系統(tǒng)。

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(shí)具有超低的噪聲性能。

對(duì)以上幾種基準(zhǔn)進(jìn)行總結(jié)，經(jīng)過對(duì)比可以看出，最新的ADR1001無論在輸出噪聲、溫漂還是長(zhǎng)期漂移方面，都處于最頂尖的水平，同時(shí)其高集成度方便了客戶的使用。其他幾種基準(zhǔn)的性能也處于業(yè)界頂尖水平，廣泛應(yīng)用于六位半到八位半的DMM中，客戶可以根據(jù)自己的需求進(jìn)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(dá)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(yīng)用于手持和臺(tái)式測(cè)量?jī)x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(yè)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(duì)比了ADA4523、ADA4522以及其他公司產(chǎn)品的性能。

ADA4620：具備超低電壓噪聲，同時(shí)兼具優(yōu)異的直流和交流性能，其JFET輸入級(jí)非常適合作為儀器儀表的第一級(jí)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(shí)擁有卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和多種電阻阻值匹配可供選擇。

Part.02實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本次七位半DAQ方案采用了AD4630-24作為ADC，ADR1001作為基準(zhǔn)。信號(hào)調(diào)理部分通過ADA4523和LT5400來實(shí)現(xiàn)將±10V的輸入范圍轉(zhuǎn)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(jié)合的方式，分別為模擬和數(shù)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.03測(cè)試結(jié)果

噪聲方面：

在輸入短路的條件下進(jìn)行了噪聲測(cè)試，采樣率設(shè)置為62.5KHz和1MHz，輸出速率均為10 PLC。得到的噪聲結(jié)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(duì)應(yīng)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(jìn)行了測(cè)試，結(jié)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(zhǔn)后，使用ADR1399時(shí)，INL大約為0.3PPM；使用AD4550D時(shí)，INL約為0.4 PPM。

溫度系數(shù)測(cè)試：

溫度系數(shù)的測(cè)試在100 PLC輸出速率下進(jìn)行，測(cè)試溫度設(shè)置為40℃、23℃和0℃，分別設(shè)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(zhǔn)的DAQ的溫度系數(shù)測(cè)量結(jié)果。由于LT5400決定了偏移誤差，因此不同基準(zhǔn)下的偏移誤差結(jié)果比較接近。同時(shí)，LT5400和基準(zhǔn)對(duì)于增益誤差影響較大，從表中可以看出，使用ADR1001作為基準(zhǔn)的DAQ的增益誤差特性會(huì)更好一些。

24小時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試：

24小時(shí)穩(wěn)定性的測(cè)試結(jié)果如下所示。同樣的，以ADR1001為基準(zhǔn)的DAQ的結(jié)果會(huì)更好一些。

與市場(chǎng)DMM對(duì)比：

這張表格對(duì)比了市面上現(xiàn)有的DMM與我們測(cè)試的DAQ的結(jié)果。可以看到，本次測(cè)試的DAQ結(jié)果介于七位半和八位半之間。需要指出的是，真實(shí)的DMM包含了更復(fù)雜的電路，如輸入保護(hù)、電壓、電流、阻抗測(cè)量等。該DAQ的測(cè)試結(jié)果僅用來驗(yàn)證使用這些高性能芯片構(gòu)建的信號(hào)鏈所能達(dá)到的性能水平。