許多儀器儀表應(yīng)用要求高準確度，例如數(shù)字萬用表(DMM)、三相標準表、現(xiàn)場儀表校準器、高準確度DAQ系統(tǒng)、電子秤/實驗室天平、地震物探儀以及自動測試設(shè)備(ATE)中的源表(SMU)/功率測量單元(PMU)等。這些應(yīng)用需要以非常高的準確度測量直流或低頻交流信號，大多數(shù)情況下，實現(xiàn)應(yīng)用選擇的相關(guān)元器件需具備低INL、高分辨率、良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。在所有這些應(yīng)用中，DMM是最具代表性的應(yīng)用。

為了構(gòu)建七位半或更高準確度的DMM，業(yè)界通常采用基于分立元器件搭建的多斜率積分ADC。雖然此類ADC能夠保證合理的測量準確度，但其設(shè)計和調(diào)試頗為復(fù)雜，因此許多工程師采用商用ADC IC來完成設(shè)計。在過去的十多年里，市場上的24位Σ-Δ ADC被廣泛應(yīng)用于六位半DMM的設(shè)計中。要想實現(xiàn)七位半準確度和線性度，就必須使用更高性能的ADC。另一個挑戰(zhàn)來自基準電壓源，深埋型齊納二極管基準電壓源需要復(fù)雜的外部信號調(diào)理電路才能實現(xiàn)超低溫度漂移。

本文將介紹由低INL SAR ADC、全集成式超低溫漂精密基準電壓源、四通道匹配電阻網(wǎng)絡(luò)和零漂移低噪聲放大器構(gòu)建的高準確度信號鏈解決方案。文中進行了準確度的理論分析和計算，可作為實際電路設(shè)計和測試的參考和指導(dǎo)。

高準確度DMM的主要直流指標參數(shù)

表1-1列出了市場上典型高準確度DMM的主要直流電壓測量指標參數(shù)。主要的指標參數(shù)包括：

輸入量程：定義允許的輸入信號范圍。DMM的各項規(guī)格參數(shù)和輸入量程有關(guān)，輸入量程有1000 V、100 V、10 V、1 V或100 mV等。10 V為典型輸入量程，此時DMM的各項參數(shù)性能較優(yōu)。表1-1為10 V量程對應(yīng)的各項指標參數(shù)。對于其他量程，可使用高準確度電阻將1000 V或100 V信號衰減至10 V量程，或者使用匹配良好的電阻陣列將1 V或100 mV信號放大至10 V量程。

分辨率或位數(shù)：分辨率通常以百分比、ppm、或位數(shù)來表示。

準確度：準確度用于衡量測量結(jié)果與真實值之間的一致程度。

線性度：用于衡量設(shè)備的輸入和輸出的線性關(guān)系。線性度可能會影響系統(tǒng)的準確度。

噪聲：系統(tǒng)噪聲決定了DMM設(shè)備的最低有效數(shù)位。通常，此參數(shù)在100 PLC或10 PLC下進行測試。

對于高準確度信號鏈，信號鏈上的轉(zhuǎn)換器、基準電壓源、精密放大器和匹配電阻網(wǎng)絡(luò)都會影響系統(tǒng)噪聲和準確度。更多細節(jié)將在后續(xù)章節(jié)中討論。

表1-1. 市場上的高準確度DMM

ADC

ADC用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼，是模擬域和數(shù)字域之間的橋梁。

表1-2列出了10 V輸入量程下不同DMM的ADC有效分辨率要求。請注意，市場上大多數(shù)DMM的實際分辨率數(shù)位均小于理想分辨率數(shù)位。例如，七位半DMM2的實際分辨率為7.1數(shù)位（DMM顯示范圍為12000000），ADC有效分辨率至少需要為24.5位（考慮到信號有正負，2的24.5次冪= 23726566，接近24000000），10 V輸入量程的噪聲應(yīng)小于1 μV rms。

表1-2. DMM 對ADC有效分辨率的要求

表1-3列出了ADI公司高分辨率ADC的噪聲指標和有效分辨率。

對于六位半應(yīng)用， AD7190和 AD7175-2是很好的ADC選擇。

對于七位半應(yīng)用， AD7177-2 和LTC2500-32是很好的ADC選擇。

AD4630-24的INL為±0.1 ppm典型值（±0.9 ppm最大值），顯著優(yōu)于其他ADC。雙通道、同步采樣、2 MSPS SAR ADC AD4630-24同時具有低噪聲、低零漂和低增益溫漂特性，是七位半信號鏈解決方案的最佳選擇。

表1-3. ADI高分辨率ADC的噪聲和分辨率指標

基準電壓源

基準電壓源決定了系統(tǒng)準確度。溫漂(TC)、時漂(LTD)、噪聲和初始準確度是基準電壓源的主要指標參數(shù)。

LTZ1000和LM399具有良好的溫漂和時漂指標參數(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高數(shù)位DMM。支持高準確度的基準電壓源還有很多選擇：

ADR1399的噪聲和負載調(diào)整指標優(yōu)于LM399。

ADR1001是一款完全集成、超低溫漂、深埋型齊納二極管精密 基準電壓源。ADR1001將LTZ1000所需的整個信號調(diào)理電路集成到單個芯片中，使得整體解決方案面積顯著減小，這簡化了設(shè)計流程。

ADR4550D輸出電壓為5V，初始準確度高。D級的溫漂和時漂指標參數(shù)優(yōu)于A/B/C級。

所有這些基準電壓源都是高準確度信號鏈的出色選擇。

表1-4. 基準電壓源指標比較表

放大器

許多運算放大器的某些誤差指標在ppm量級，但沒有一個運算放大器的所有誤差指標都能達到ppm量級。例如，斬波放大器可提供ppm級的失調(diào)電壓、DC線性度和低頻噪聲，但其輸入偏置電流和線性度隨頻率誤差較大。雙極性放大器具有低寬帶噪聲和良好的線性度，但其輸入電流仍可能導(dǎo)致內(nèi)部電路誤差。MOS放大器具有出色的偏置電流，但通常在低頻噪聲和線性度方面存在缺陷。

在實際電平搬移、衰減/放大和有源濾波器電路中，要滿足±5 V信號、適用于1 kΩ環(huán)境并達到1 ppm線性度，運算放大器需滿足一些基本要求，如表1-5第二列所示。

除了表1-5列出的參數(shù)外，溫漂和時漂也非常重要。ADA4522-2和ADA4523-1采用自校準電路，具有低溫漂（最大0.01 μV/°C）以及低 時漂。

對于目標信號頻率接近斬波放大器開關(guān)頻率的應(yīng)用，ADA4510-2可能是個好的選擇，其大多數(shù)指標都足夠好，可以用在信號鏈的任何位置。

表1-5. ppm準確度所需的運算放大器指標及數(shù)值列表

匹配電阻網(wǎng)絡(luò)

匹配電阻網(wǎng)絡(luò) LT5400和 LT5401具有非常低的匹配溫漂和時漂指標，可與放大器配合使用，根據(jù)不同應(yīng)用的要求配置模擬前端的增益。表1-6為ADI公司的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。對于LT5400，表中列出的是B級指標。LT5400 A級的絕對電阻匹配比更優(yōu)，其匹配溫漂和時漂與LT5400B相同。

表1-6. 匹配電阻網(wǎng)絡(luò)

AFE電路（增益固定）

圖1-1是 LTspice AFE電路，將±10 V信號轉(zhuǎn)換為ADC容許輸入范圍內(nèi)的2.5 V ± 2.5 V差模信號。

U1和U3是緩沖器，用于增加AFE電路的輸入阻抗。

VCOM提供2.5 V電壓，將AFE輸出偏置為正信號。

LT5400-7（2×1.25k、2×5k）將信號衰減1/4，以使信號處于ADC輸入范圍內(nèi)。

放大器配置為環(huán)路內(nèi)補償電路，以驅(qū)動SAR ADC。

藍色曲線（±10 V輸入）和紅色曲線（±5 V差分輸出）是LTspice的仿真結(jié)果。

圖1-1. LTspice AFE電路

0.1 Hz至～10 Hz時，AFE電路的噪聲仿真結(jié)果為32 nV rms，大概是98 nV rms ADC噪聲的1/3。

24小時準確度分析(Ta = 23 ± 1°C)

影響準確度的主要因素是兩類誤差：失調(diào)誤差和增益誤差。失調(diào)誤差決定量程的不確定度，增益誤差決定讀數(shù)的不確定度。元器件貢獻的絕對誤差可以在系統(tǒng)級進行校準，而與溫度和時間相關(guān)的誤差則難以校準。

24小時準確度主要由元器件的溫度相關(guān)誤差決定，通常規(guī)定為±（讀數(shù)的百分比+量程的百分比）或±（讀數(shù)的ppm+量程的ppm）。

失調(diào)誤差

失調(diào)誤差造成的不確定性與信號無關(guān)。例如，假設(shè)輸入信號為0，最終的輸出讀數(shù)可能因放大器的失調(diào)漂移誤差而有所不同。這意味著放大器的失調(diào)漂移誤差會引起量程的不確定性。除了放大器的失調(diào)漂移之外，還需要考慮和分析電阻網(wǎng)絡(luò)的溫漂、ADC的零點漂移以及ADC的INL。（請注意，ADC INL被認為是失調(diào)不確定性，因為其非線性峰值未知）。

圖1-2用于仿真LT5400-7的誤差貢獻：

理論上，當輸入為0 V時，AFE電路的輸出也應(yīng)為0 V。

假設(shè)R8/R9和R1/R7之間的匹配度為1 ppm，則輸出將為-0.5 μV，即-0.1 ppm誤差。

假設(shè)R13/R12和R11/R10之間的匹配度為1 ppm，則輸出將為-1.0 μV，即-0.2 ppm誤差。

LT5400-7的最大電阻匹配比溫漂為±1 ppm/°C，因此其失調(diào)誤差貢獻為±0.2 ppm/°C。

圖1-2. 仿真LT5400-7匹配溫漂帶來的失調(diào)誤差

表1-7總結(jié)了不同誤差源帶來的失調(diào)誤差。

總溫漂誤差 = √0.0022+ 0.0052+ 0.22+ 0.0072≈ 0.2 ppm/°C.

考慮到溫度不確定度為±1°C，故總溫漂誤差為0.2 ppm。

加上0.9 ppm ADC INL誤差，總失調(diào)誤差 = √0.22+ 0.92≈ 1 ppm.

表1-7. 失調(diào)誤差源分析

增益誤差

增益誤差造成的不確定性與信號大小有關(guān)。例如，假設(shè)輸入信號為0，最終輸出讀數(shù)可能不會因基準電壓源失調(diào)漂移誤差而有所不同。這意味著基準電壓源的失調(diào)漂移誤差會引起讀數(shù)的不確定性。除了基準電壓源的失調(diào)漂移之外，還需要考慮和分析電阻網(wǎng)絡(luò)的溫漂、ADC的增益誤差漂移、基準電壓源的滯回誤差以及放大器的CMRR。

圖1-3用于仿真LT5400-7貢獻的增益誤差：

理論上，當輸入為10 V時，AFE電路的輸出(OUT+OUT-)應(yīng)為-5 V。

假設(shè)R8/R9與R1/R7之間的匹配度為1 ppm，R13/R12與R11/R10之間的 匹配度為1 ppm，則輸出為–3.5 μV，若扣除–1 μV失調(diào)誤差，則增益誤差為–2.5 μV。

LT5400-7的最大電阻匹配比溫漂為±1 ppm/°C，因此增益誤差貢獻為±0.5 ppm/°C。

圖1-3. 仿真LT5400-7匹配溫漂帶來的增益誤差

ADA4523-1的CMRR最小值為140 dB，在±10 V輸入下，緩沖器的Vcm變 化為±10 V，U4的Vcm變化為0 V至～4 V，有限的CMRR可能會隨著輸入變化而引起額外的增益誤差。

溫度變化為±1°C，因此可以忽略基準電壓源的溫度滯回誤差。在工作溫度范圍較寬的其他應(yīng)用中，需要考慮基準電壓源滯回誤差。

表1-8總結(jié)了不同誤差源帶來的增益誤差。

總溫漂誤差 = √0.52+ 0.22+ 0.072≈ 0.54 ppm/°C.

考慮到溫度不確定度為±1°C，故總溫漂誤差為0.54 ppm。

加上放大器CMRR誤差和基準電壓源溫度滯回誤差，總增益誤 差 = √0.542+ 0.12+ 0.12≈ 0.6 ppm.

表1-8. 增益誤差源及分析

根據(jù)分析，對于由ADA4523-1 + LT5400-7 + AD4630-24 + ADR1001組成的 信號鏈，估計24小時準確度 (Ta = 23 ± 1°C) 為±(0.6 ppm + 1.0 ppm)。從表1-7和表1-8可以得出如下結(jié)論：放大器的溫漂、基準電壓源的溫漂、電阻匹配溫漂和ADC INL對于整個系統(tǒng)的準確度都很重要。

1年準確度(Ta = 23 ± 5°C)

對于儀表來說，準確度會隨著時間的推移而降低。這是因為元器件參數(shù)會隨時間而變化，不確定性會按照時間的平方根增加。儀表準確度與時間的指標非常重要。通常將其規(guī)定為±（讀數(shù)的百分比+量程的的百分比）或±（讀數(shù)的ppm+量程的ppm），時間可以為30天、90天、1年，工作環(huán)境溫度為23 ± 5°C。

溫度引起的失調(diào)誤差和增益誤差

參考表1-7，

總溫漂誤差 = √0.0022+ 0.0052+ 0.22+ 0.0072≈ 0.2 ppm/°C.

考慮到溫度不確定度為±5°C，故總溫漂誤差為1 ppm。

加上0.9 ppm ADC INL誤差，總失調(diào)誤差 = √12+ 0.92≈ 1.35 ppm.

參考表1-8，

總溫漂誤差 = √0.52+ 0.22+ 0.072≈ 0.54 ppm/°C.

考慮到溫度不確定度為±5°C，故總溫漂誤差為2.7 ppm。

加上放大器CMRR誤差和基準電壓源溫度滯回誤差，總增益誤 差 = √2.72+ 0.12+ 0.12≈ 2.70 ppm.

根據(jù)分析，對于由ADA4523-1 + LT5400-7 + AD4630-24 + ADR1001組成的 信號鏈，估計準確度(Ta = 23 ± 5°C)為± (2.70 ppm ± 1.35 ppm)。

失調(diào)誤差和增益誤差隨時間的變化

不同元器件對時漂指標的測試條件不同。假設(shè)全年的工作溫度為28°C，則可以使用Arrhenius方程推導(dǎo)出28°C下的加速因子。加速因子計算公式如下

Eaa為0.68 eV；kB為玻爾茲曼常數(shù)8.62×10-5eV/K；Top 和 Tstress分別為工作溫度和應(yīng)力測試溫度，單位為K。

以LT5400為例，數(shù)據(jù)手冊顯示2000小時、35°C下，其電阻匹配比的時漂指標參數(shù)為< 2 ppm，可使用式1來計算其1年在28°C下的漂移值。加速因子：

這意味著28°C時，2000×1.81 = 3629小時的漂移指標參數(shù)為< 2 ppm，那么 1年（8760小時）后，LT5400可能會漂移 √8760/3629 × 2 ppm = 3.1 ppm。

同理，ADR1001在1000小時、25°C下的時漂指標參數(shù)為4 ppm，1年后 ADR1001可能會漂移13 ppm。ADR1399在1000小時、25°C下的時漂指標參數(shù)為7 ppm，1年后ADR1399可能會漂移23 ppm。

ADA4523-1的平均時漂<0.03 μV。

表1-9顯示，28°C時1年后的估計準確度為± (13.1 ppm + 0.62 ppm)。

綜合溫度帶來的不確定性± (2.70 ppm + 1.35 ppm) (Ta = 23 ± 5°C)，最終 1年準確度為：± (13.4 ppm + 1.5 ppm)。

表1-9. 1年后誤差分析

表1-10總結(jié)了ADA4523-1 + LT5400-7 + AD4630-24 + ADR1001的理論準確度指標參數(shù)，與市場上的典型七位半DMM的指標參數(shù)相近。

表1-10. 比較典型DMM與本解決方案的指標參數(shù)

我們的理論分析和計算說明，利用0.1 ppm INL 2 MSPS SAR ADC AD4630、全集成超低溫漂ADR1001、低噪聲零漂移ADA4523-1和1 ppm/°C LT5400等器件構(gòu)建的信號鏈可以實現(xiàn)出色的準確度性能。