基于ADI产品的七位半高精度数据采集系统解决方

数据采集系统（DAQ）是现代电子设备中不可或缺的一部分，主要用于高精度地捕获电子设备和传感器产生的信号，以便进行实时处理、硬件在环仿真、自动测试以及数据记录等应用。

对于需要达到七位半甚至更高精度的数据采集系统，业界传统上多采用基于分立器件的多斜率积分型ADC。虽然这种ADC能提供合理的测量精度，但其设计与调试过程通常更为复杂。在过去十年多时间里，24位Σ-Δ ADC被广泛应用于六位半数字万用表（DMM）的设计中，而更高性能的ADC则成为了达到七位半精度和线性度的瓶颈。同时，还有另一个显著挑战来源于电压基准。为了实现超低的温度漂移，传统的纳伏级电压基准通常需要复杂的外部信号调理电路。

为了解决这些高精度DAQ的设计瓶颈，ADI推出了创新的解决方案。结合24位、2 MSPS、具备最大 ±0.9 ppm INL的AD4630-24，搭配全集成超低漂移精密基准ADR1001，以及精密匹配电阻网络LT5400和零漂移低噪声放大器ADA4523-1，即可构建出低温漂、低噪声的高精度信号链解决方案。本文将围绕该解决方案进行详细介绍。

Part.01器件选型

ADC方面：

ADI的AD463X系列ADC包含2 MSPS或500 kSPS的采样速率版本。该系列具有业界领先的INL性能和极高的性价比，非常适合仪器仪表等应用。AD463X集成了Easy Drive功能，方便驱动；具备宽共模输入范围，进一步放宽了对驱动器的要求；内部集成了平均滤波器，并支持高达30比特的数据输出。此外，ADI还提供了单通道的AD403X系列，与AD463X系列相比，其噪声性能提升了3dB，其他性能与AD463X系列类似。

基准方面：

ADR1399：具有0.2 PPM/℃的超低温漂、1.44μV p-p的超低噪声以及优异的长期漂移性能。低动态阻抗使其非常适合作为六位半以上DMM的基准。

ADR1000：相较于LTZ1000，ADR1000在噪声方面有所提升，初始精度为±50mV，相比LTZ1000也有一定改善。它同样具有超低长期漂移、0.9μV p-p的超低噪声，内置片上加热和温度传感器，广泛应用于DMM和高精密测量系统。

ADR1001：最新推出的ADR1001集成了Buffer和精密电阻，无需大量分立器件，极大地提升了客户使用的便利性。它的温漂性能可与LTZ1000媲美，同时具有超低的噪声性能。

对以上几种基准进行总结，经过对比可以看出，最新的ADR1001无论在输出噪声、温漂还是长期漂移方面，都处于最顶尖的水平，同时其高集成度方便了客户的使用。其他几种基准的性能也处于业界顶尖水平，广泛应用于六位半到八位半的DMM中，客户可以根据自己的需求进行灵活选择。

放大器方面：

ADA4522：这是一款高压零漂移低噪声放大器，最高供电电压可达55V。它具有5.8nV/√Hz的电压噪声密度和超低的22nV/℃偏置电压漂移，广泛应用于手持和台式测量仪器。

ADA4523-1：这是最新推出的放大器，具有4.2nV/√Hz的电压噪声密度和88nV p-p的低频噪声，被称为业界最低噪声的零漂移放大器。其偏置电压漂移只有10nV/℃，增益带宽积为5MHz，比ADA4522更宽。下图对比了ADA4523、ADA4522以及其他公司产品的性能。

ADA4620：具备超低电压噪声，同时兼具优异的直流和交流性能，其JFET输入级非常适合作为仪器仪表的第一级高阻抗输入放大器。

精密电阻方面：

ADI也提供特色的精密电阻网络产品LT5400，具有0.01%的电阻匹配度和0.2 PPM/℃的匹配温漂特性，同时拥有卓越的长期稳定性和多种电阻阻值匹配可供选择。

Part.02实验设置

本次七位半DAQ方案采用了AD4630-24作为ADC，ADR1001作为基准。信号调理部分通过ADA4523和LT5400来实现将±10V的输入范围转换为ADC所需的0-5V输入范围。电源部分采用了DC-DC与LDO相结合的方式，分别为模拟和数字部分供电。具体采用了ADI Silent Switcher 2的LT8609S ，以及超低噪声LDO LT3045和LT3093。此外，也可以选用双通道超低噪声LDO LT3097来替代后两颗器件。

Part.03测试结果

噪声方面：

在输入短路的条件下进行了噪声测试，采样率设置为62.5KHz和1MHz，输出速率均为10 PLC。得到的噪声结果如下图所示。可以看到，在62.5KHz采样率下，使用ADA4523的DAQ噪声大约为500 nVRMS，这意味着0.05 PPM的噪声水平。在更高采样率下，相同输出速率对应着更低的噪声，因此1Mhz采样率下的噪声大约为62.5KHz采样率下的四分之一。

线性度方面：

首先在100 PLC输出速率下进行了测试，结果显示INL不超过0.2 PPM。在10 PLC的输出速率下，INL不超过0.32 PPM，这主要受到噪声的影响。更换基准后，使用ADR1399时，INL大约为0.3PPM；使用AD4550D时，INL约为0.4 PPM。

温度系数测试：

温度系数的测试在100 PLC输出速率下进行，测试温度设置为40℃、23℃和0℃，分别设置不同的输入电压，并比较不同温度下的变化。如图表所示，为使用不同基准的DAQ的温度系数测量结果。由于LT5400决定了偏移误差，因此不同基准下的偏移误差结果比较接近。同时，LT5400和基准对于增益误差影响较大，从表中可以看出，使用ADR1001作为基准的DAQ的增益误差特性会更好一些。

24小时稳定性测试：

24小时稳定性的测试结果如下所示。同样的，以ADR1001为基准的DAQ的结果会更好一些。

与市场DMM对比：

这张表格对比了市面上现有的DMM与我们测试的DAQ的结果。可以看到，本次测试的DAQ结果介于七位半和八位半之间。需要指出的是，真实的DMM包含了更复杂的电路，如输入保护、电压、电流、阻抗测量等。该DAQ的测试结果仅用来验证使用这些高性能芯片构建的信号链所能达到的性能水平。