设计一个高精度的ADC采样电路思路

1.前言

2.输出驱动程序

3.电流和电压传感

4.ADC

5.控制回路

6.结论

1.前言

最近新项目需要
搭建了一个高精度的ADC采集电路
初步了解了不同的组件如何影响系统的精度
以及如何为精密的直流电源设计选择合适的组件。

测试和测量应用，如电池测试、电化学阻抗谱和半导体测试，
需要准确的电流和电压输出直流电源。

在±5°C环境温度变化条件下，设备的电流和电压控制精度需要高于全尺度范围的±0.02%。
精度在很大程度上取决于电流感电阻和放大器的温度漂移。

2.输出驱动程序

图1是电源的方框图
包括输出驱动器、电流和电压传感电路、
控制回路、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。

输出驱动程序的选择取决于输出精度、噪声和功率电平。
线性功率作为低功率（5W）或低噪声应用的输出驱动程序。

具有集成热流和过流保护的功率运算放大器（操作放大器）适用于低功率应用。

图1：直流电源的典型方框图

3.电流和电压传感

高精度电流分流电阻和低漂移仪器放大器可以测量输出电流。
仪器放大器的输入偏移误差和增益误差不问题，
因为这两个误差都在系统校准过程中考虑。

然而，仪器放大器的偏移和增益漂移、
输出噪声和增益非线性难以校准，
我们在选择电流感放大器时应该考虑这些误差。

公式1计算表1所示的电流感放大器的未调整误差。
来自公共噪声拒绝比的误差相对较小，
我们可以忽略它。

NA188在表中列出的放大器中误差最小。
误差计算使用±5°C温度变化，
对1-A和25-A输出分别选择100-mΩ和1-mΩ电流电阻。

表1：电流感应放大器未调整误差合计

使用差速器或仪表放大器，
使您能够非常准确地监测负载电压。

放大器同时感知负载的输出电压和接地，
以消除电缆中任何电压降所产生的误差。

系统校准调整放大器的偏移和增益误差，
只留下输入偏移漂移。
可以通过将偏移漂移除以全尺度电压来计算百百万分之一的漂移。

例如，
对于2.5V的全尺度范围和1-µV/°C的偏移漂移，
漂移将为0.4ppm/°C.如果您需要一个较低的输出电压漂移，可
以选择一个零漂移运算放大器，

如OPA188，其最大输入偏移幅度为85nV/°C.
然而，1-µV/°C偏移漂移精度对于大多数应用来说就足够了。

4.ADC

在系统校准过程中，
会调整ADC偏移误差和增益误差。
由ADC的漂移和非线性引起的误差难以校准。

表2比较了三种不同的高精度对温度变化±5°C的误差。

ADS131M02在表中列出的adc中错误最小。
误差计算不包括ADC的输出噪声和电压参考误差。

表2：ADC未调整误差合计

5.控制回路

图2显示了电源的模拟控制回路。
即使您不需要恒电流输出，
保持恒电流回路也有助于短路保护。

恒流回路将通过降低输出电压限制输出电流，
通过IREF设置可编程。

在恒流和恒压回路之间使用二极管有助于实现恒压到恒流的转换，
反之亦然。

一个多路复用器友好的操作放大器适用于恒流和恒压回路，
以避免在开回路操作中放大器输入之间的短路。

当任何控制回路处于开回路状态时，
操作放大器可以在其输入引脚处看到大于0.7V的差动电压。

非多路复用器友好的操作放大器在输入引脚处有反平行二极管，
这不允许差动电压超过二极管下降。

因此，一个非多路复用器友好的op放大器增加了放大器的偏置电流，
这可能会导致设备的自加热和系统的不准确，
因为该电流与源阻抗相互作用。

图2：恒流和恒压回路示意图

还可以在C2000实时mcu中实现数字域中的控制循环。
高分辨率脉宽调制、C2000实时单片机的精密ADC和其他模拟外设，
有助于减少组件总数和材料清单。

C2000实时单片机产品组合包括16位和12位ADC选项。

6.结论

在为测试和测量应用设计直流电源时，
应考虑温度漂移和噪声规范。

如果您选择低漂移放大器和ADC产品，
其精度可以低于0.01%。