基于ADI产品的七位半高精度数据采集系统解决方案-电子发烧友网

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。