微观尽头——精密信号测量-EmoeMetrology


微观尽头——精密信号测量-EmoeMetrology

本人才疏学浅,也没有任何关于精密信号的设计经验,我只能边学边做了~
所以以下内容 仅供参考,我也是参考了众多ADI设计文档和专题文章总结出来的。。在文末我会一一贴出来。

一个Excellent的数据转换器系统应该具有如下特质:

  1. 超低噪声超低温漂基准源(Reference Source)
  2. 超高位数的ADC器件或架构,比如最顶级的32位集成式Sigma-Delta ADC。
  3. 超低噪声和低纹波的电源供应。
  4. 超级精密的模拟前端电路(Analog Front End),以及精密匹配的电阻电容器。
  5. 合理的PCB布局与Layout,最大优化关键器件的噪声与零漂移性能。
  6. 模拟域与数字域合理划分(布局、布线以及原理图设计)。
  7. 大量的Money。

基准源

我所知道的地表最强基准源是凌力尔特公司(现属于ADI)生产的 LTZ1000 。它具有1.2uVpp的噪声,超强的长期稳定性,0.05ppm的温漂 (ppm为百万分之一),这参数简直逆天。

当然,价格也非常逆天,国内买大概要大几百(穷😭)

所以只能退而求其次,选用了一个1ppm温漂,噪声1uVpp的基准源 —— ADR4525

以下是ADI官网的参数描述(我选的是C Grade,也就是1ppm的),看纸面参数是一颗非常强悍的电压基准源了。但是他有一个比较致命的缺点是——它是塑料封装(SOP)的,这意味着它对焊接、PCB、以及环境因素都更为敏感,参考手册中的描述,由于塑料封装材料会吸收水分,随着相对湿度的变化,塑料封装材料施加于芯片内部的压力会发生改变,从而导致基准电压源的输出发生轻微变化。(LTZ1000:没想到吧爷是金封的!)

ADR4525

ADC选型

这个嘛,进入ADI官网,选择产品线-模数转换器-精密ADC,打开它的选型表,然后按照Resolution从高到低排序就可以了。

ad7177-2

排名1和2的是过采样上的32位,我感觉不妙(直感A),所以我选择了AD7177-2。

说到这个ADC,前不久 CERN(欧洲核子研究组织) 开源了一个 8位半数字万用表,其中用的ADC就是这一款7177(捂脸)。说到这个,他们做这个地表最强精度的万用表的初衷是精确测量大型质子对撞机中间节点检测到的电流…他们的youtube视频 在这里

当然,相比于专业的测量用DMM(Digital MultiMeter)来说,CERN的设计缺乏了一些通用性。比如说DMM拥有电压、电流、电阻、通断、二极管等档位可以选择,而CERN的这个项目单纯地为了测量电压而设计。这是在我参考了多个数字万用表的设计和该项目的设计之后,横向对比得出的结论。

电源

我打算采用5V USB过3.3V LDO之后,再用一稳压型反向电荷泵得到负电源,再使用ti的超低噪声LDO得到±2.5V的电源轨去给整个模拟电路部分+ADC供电。

阻容、元件

我需要买一些高精度的电阻器,并选购一些高性能的电容器用作去耦和电源滤波(钽电容+MLCC用作退耦,在精密器件供电路径上串联馈通电容滤波器)。说来我手头还有2片ADI生产的4通道精密匹配电阻网络,通过激光校准到了 0.01% 的匹配误差,真好啊🤭)

施工中~


文章作者: Floyd-Fish
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