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标题: 如何利用1ppm DAC简化精密仪器仪表设计 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2013-9-6 21:12 标题: 如何利用1ppm DAC简化精密仪器仪表设计

关键字：DAC 精密仪器仪表高线性度数模转换器
为了提高仪器仪表系统的精度，数模转换器的性能已经突破16位，而以前必须采用笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性能水平。然而，随着时间的推移，市场和技术不断发展，关于精密数模转换器的定义也已发生变化。半导体处理技术、DAC设计和校准技术的发展使高线性度数模转换器成为可能。这种转换器不仅稳定性好、建立时间短，而且能提供优于1ppm的20位性能。这类小型IC保证性能规格，无需校准且简单易用。1ppm DAC的应用范围覆盖从医疗MRI系统中的梯度线圈控制到质谱测定、测试和测量应用中的精密源和定位。
性能指标
图1所示电路提供1ppm性能，其关键技术指标是积分非线性度、微分非线性度和0.1Hz至10Hz峰峰值噪声。

图1中，U1是一个具有1ppm线性度指标的20位DAC。U2是一个精密双通道放大器，用作DAC基准电压输入的驱动-检测缓冲器。U3是一个精密输出缓冲器，用于驱动负载，其关键要求与基准电压缓冲器相似，其中包括低噪声、低失调电压、低漂移和低输入偏置电流。虽然有1ppm以下的精密元件可供使用，但构建1ppm系统并非易事，不可等闲视之。1ppm精度电路中的主要误差源为噪声、温度漂移和热电电压。
噪声
为实现真正的1ppm系统，必须将噪声降至最低水平。U1的噪声频谱密度7.5nV/vHz。U2和U3的额定噪声密度为2.8 nV/vHz，远远低于DAC的噪声贡献。
宽带噪声可以通过滤波消除，但0.1Hz至10Hz范围内的低频噪声(1/f)却无法滤除。要尽量降低这一噪声，最有效的方法在于器件优化和选择。U1在0.1Hz至10Hz带宽下产生0.6μV p-p噪声，远低于1LSB（对于±10V输出，1LSB = 19μV）。系统中1/f噪声的设计目标值应为0.1LSB或2μV左右。信号链中的三个放大器在电路输出端总共产生大约0.2μV p-p的噪声。加上U1的0.6μV p-p噪声，预计总1/f噪声为0.8μV p-p。
温度漂移
温度漂移是精密电路中的另一个主要误差源。U1的温度系数为0.05ppm/°C。U2的漂移系数为0.6μV/°C，即总体会向电路中引入0.03ppm/°C的漂移。同时U3再贡献0.03ppm/°C的输出漂移，这样三者相加后为0.11 ppm/°C。对于调节和增益电路，建议使用低漂移、热匹配电阻网络，如Vishay的300144Z和300145Z。
热电电压
热电电压是塞贝克（Seebeck）效应的结果：异质金属结面处会产生与温度相关的电压。所产生的电压在0.2μV/°C（铜-铜结面）至1mV/°C（铜-铜氧化物结面）之间。
热电电压表现为与1/f噪声相似的低频漂移。使所有连接保持整洁，消除氧化物，并且屏蔽电路使其不受气流影响，可以大幅降低热电电压。图2显示了开放式电路与屏蔽式电路在电压漂移上的差异。

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