HP34401A原理分析

zhaossy

一、            HP34401A相关参数
1.输入信号每隔200mS（200mS加入，200ms为零信号）加入一次，即每隔一段时间加入零信号，在零信号输入期间主要是算出由于开关造成的电荷注入偏置，在信号输入时测量的结果要减去此偏置值，周期性的定时计算偏置，是因为由于温度的影响，开关的注入电荷量不同，所以要实时计算偏置。
2. 一秒钟采样6次（5）。
3.时钟频率：Fc=12MHz
4.时钟周期：Tc=1/Fc ≈0.0833 us
5.6位半时单次采样最小周期为：Ti_min=1000000 ×Tc=83333.3 us ≈ 83.333 ms
6.6位半时单次采样最大周期为：Ti_max=12000000×Tc=100 mS
7. ASIC计数得到最终转换原码的高位，由测量剩余电压得到最终转化原码的低位。
8.ADC每32个时钟周期(2.66us)比较一次，并根据比较结果选择接入的基准电压极性。
控制逻辑控制着积分器输入端的模拟开关，使积分器的最高输出电压在2.5V左右。若输入电压V[sub]ADIN[/sub]的范围为±15V，则积分器(FLASH脚)的电压范围为0～5V；如果输入电压大于+15V，则积分器将饱和，其输出电压为-18V(负电源电压)；如果输入电压小于-15V，则则积分器亦将饱和，其输出电压为-18V(负电源电压)。剩余电压测量输入脚(FLASH)的电压范围由2电阻限制在0～5V，以保护后面的ADC芯片。积分运放AD711前端运放OP27用来提高积分运放的输入偏置特性，R10、R11用来减少开环增益，以提高积分电路的稳定性。3.电压档标定电压：100mV,1V,10V,-10V,100V,1000V；参考设备：Flucke 5700A/5725A

一、            HP34401A方案的实测与分析（针对市电50Hz）

1.     实测：输入电压（在放大电路之前）每200mS接入一次，然后切换到地，如图1所示。作用是实时修正偏置误差，如温漂、时漂等

zhaossy

分析：据HP34401A维修手册介绍，在6位半精度快速采样（10 PLCs）时，采样率为4Hz或6Hz，即当前一秒内采样6次，下一秒内则采样4次，平均采样率为5.5Hz；对比图2-1可以分析出在输入信号接入的200mS内进行了2次采样。
2.实测：HP34401A维修手册原理图中SYNC信号的波形如图2-2所示。此信号由ASIC芯片发出，用来同步单片机80c196进行ADC（80c196片内10bit逐次积分ADC）测量，此信号作为采样保持触发信号，实测SYNC信号频率为50Hz，高电平脉冲持续时间约为22us。

分析：图2-2中的蓝色线为2次采样的分界点。积分型ADC的特点是可以利用对输入信号进行积分的特性，将输入信号中的交流干扰信号进行平均，可以大大减少干扰信号对测量精度的影响。干扰信号中市电的干扰最为明显，为去除此类信号，积分时间一般为市电周期的整倍数，对于50Hz市电系统，HP34401A一次采样的时间（积分时间）为5倍的市电周期（5 PLCs），即100ms。对于60Hz市电系统，应该是6倍的市电周期，亦即100ms，这样既不减少积分时间又能消除市电干扰信号对测量精度的影响，见图2-3所示。


小结：SYNC信号的上升沿启动S/H（Sample& Hold,采样保持）电路中的采样（sample）功能，在下降沿启动保持（hold）功能，由CPU中的逐次逼近式ADC进行剩余电压的测量。
HP34401A的ADC为多斜积分III型结构，无去积分期，采样和结果的获得均在积分期进行；为获得低位数据，用外置高速ADC测量积分器剩余电压，理论上是在启动一次测量时读取一次剩余电压值，结束该次测量时再读取一次剩余电压值，这二次剩余电压的差值即含有整个测量结果的低位值。需要做的就是将测量的这2个值转换成和高位（主计数值，包括正电压接入计数和负电压接入计数的值）同一权值，这样才能把高、低位合成最终测量结果。
另外，由于正、负电压基准的电压绝对值不可能绝对一致，所以正、负电压基准接入的计数值不能简单的进行相减，即作为测量结果的高位，需要对此2个计数值进行标定。
据实际推算，在快速测量6.5位快速模式下，测量一次，正、负电压基准计数器的计数差值最大约为11030，折算成二进制不到14位，但大于13位；若要是测量结果能达到六位半（6.5 digital，一般标称为22 bits），则必须至少要20位二进制数（2[sup]20[/sup]=1048576），要达到标称的1200000个最大计数，则需要21位有效二进制数（2[sup]21[/sup]=2097152）。 所以剩余电压测量ADC需要至少8位二进制值精度；因此实际设计的方案中最好选择大于或等于10bits的ADC。

zhaossy

三、HP34401A电路分析

HP34401A实际电路见附录1。简化等效电路如图3-1所示。


时计数值是C1，当输入电压是Vx+v时计数值是C2，则|C2-C1|的理论值就是1，超过1就说明计数值的权值下降了。这个是确定积分器参数的根据。
积分器输出电压调整电路的目的是通过调整Vcomp（该电压信号送给ASIC芯片，作为正、负电压基准切换的判定信号），使积分器的输出电压不超过后面剩余电压测量ADC的量程范围，但又不能使该电压动态范围过小，从而降低了测量精度。
HP34401A中的Vcomp是接到COMS型可编程逻辑阵列芯片SCX6206的引脚上的，该芯片的最小输入高电平电压V[sub]IH[/sub]为0.7VDD，即3.5V；最大输入低电平电压V[sub]IL[/sub]为0.3VDD，即1.5V；要保证连续2个积分周期内积分电压的斜坡方向不变时，输出的电压不超过剩余电压测量ADC的最大输入电压（5V），则直接用Vint作为比较电压是不行的。因为正常情况下，1个积分内Vint的最大值约为2.67V（请参考Vint的计算公式），那么在VIH为3.5V时，积分器的最大输出电压将会超过6.1V（输入电压为10V或-10V时的情况），超过剩余电压测量ADC的量程。为解决该问题，设计了调整电路；该电路的设计原则，一是不能影响计数值和输入电压的线性关系以及准确度，二是能确保Vint的最大值不超过5V，最小值不低于0V。
Vint出现最大值的情况：当Vcomp=3.5V（0.7VDD）时，Vint以最大斜率上升T（T=2.67μs）时间后，Vint的值必需不大于5V。Vint以最大斜率上升发生在Vx=-10V（理论设计的最大输入电压量程）的时候，积分T时间Vint增加1V；得知，当Vcomp=3.5V、Vx=-10V时，Vint必需小于4V；HP34401A的电路中，Vcomp=3.5V、Vx=-10V时，Vint=3.14V（考虑到裕量），且保证了计数值和输入电压的线性关系，符合要求。
Vint出现最小值的情况：当Vcomp=1.5V（0.3VDD）时，Vint以最大斜率下降T（T=2.67μs）时间后，Vint的值必需不小于0V。Vint以最大斜率下降发生在Vx=10V（理论设计的最大输入电压量程）的时候，积分T时间Vint减少1V；得知，当Vcomp=1.5V、Vx=10V时，Vint必需大于1V；HP34401A的电路中，Vcomp=1.5V、Vx=10V时，Vint=2.27V（考虑到裕量），符合要求。
通过以上分析，可知HP34401A的Vint理论值域为1.27~4.14V。考虑到实际输入的电压值可能大于10V或小于-10V（允许此种情况的存在，以便判断是否切换量程），且考虑到实际的电路参数误差，所以此处Vint留有约1V的裕量。    ADC仿真原理图（TINA）

zhaossy

以上2个图主要用来分析控制电压基准接入的模拟开关（CD4053）前面接入一个D触发器（74AC74）的目的。同步信号SYNC是由CPU发出的，当积分周期开始和结束时，一是控制CPU内部的逐次积分ADC进行采样、保持并读数；二是控制ASIC内部计数器的开始和停止。
SYNC和模拟开关的控制信号不是严格同步的。为避免SYNC的触发信号和计数器的开始或停止信号同时出现而有可能造成的±1个计数误差，从而采用D触发器进行延迟。
SYNC的上升沿启动CPU内部ADC进行采样，而ASIC内部计数器是由375kHz的时钟来驱动的，对于正负电压基准计数的判断是根据375kHz时钟到来前的COMP信号电平来确定的，而SYNC信号无外乎是在clk12的上升沿或下降沿触发，所以不影响当前电压基准接入的计数。
相同时间内积分器输出电压的差值是相同的，所以图3.2中虽然ADSW1和XADSW1的切换时间对于375k的时钟信号而言有延迟（固定的延迟），但任意2个375k上升沿间的正、负基准接入的时间是相同的，所以在375k的上升沿来触发剩余电压ADC的测量，和经过固定的延迟后触发剩余电压ADC的测量的结果是一致的。这样做的目的是避开在切换基准电压时触发剩余电压ADC的测量，避开切换时的不稳定电压值。也就是剩余电压ADC从采样转换到保持并开始进行测量时，积分器的输出电压一定是处在上升或下降的过程中的。

zhaossy

以上是在下的拙见，只是个人分析，错误难免，希望抛砖引玉，期望大家共享分析心得，不要保密；否则大家就不能共同发展。

ccpoint

看来是发完了 坐下来看一看

ghjiang

好文章，学习了！

a-fly

zhaossy:以上是在下的拙见，只是个人分析，错误难免，希望抛砖引玉，期望大家共享分析心得，不要保密；否则大家就不能共同发展。 (2012-03-06  20:40) 

不是砖，是玉！

lsp5454

技术贴，顶一个

puff

优秀文章，支持！n神马都是浮云

a-fly

2楼仿真的波形是错误的。

fswqz

优秀文章，支持！n神马都是浮云

youngliu

80C196内部用于斜坡计数的counter位数是16bit，加上剩余电压检测用逐次逼近ADC的10bit ，34401A的ADC是不是26bit了（不考虑“权”）？

a-fly

youngliu:80C196内部用于斜坡计数的counter位数是16bit，加上剩余电压检测用逐次逼近ADC的10bit ，34401A的ADC是不是26bit了（不考虑“权”）？ (2012-03-07  08:15) 

不是的，不是这种算法，楼主的算法是应该是对的。
连续积分型AD只要有足够长时间的积分，理论分辨率就可以无限大。
计数器的位数是小问题，16bit溢出后还是可以继续重新计数的。

zhaossy

斜坡计数是ASIC芯片（内部8位）和CPU定时计数器（通过SYNC信号，16位计数器位数）一起计数的；ASIC的计数器用于计低8位，CPU计数高16位，光计数器是24位长度；用于测量剩余电压的ADC(80C196内部ADC模块)是10位。计数器位数多，是为了满足更多积分时间的需要，比如34401A的最长积分时间是100PLCs，即2秒，需要18位计数器长度；此外34401A有频率测量功能，也会用到该计数器。

zhaossy

2楼的波形是正确的，你可以用示波器实地测一下，就是这个波形。

a-fly

zhaossy:2楼的波形是正确的，你可以用示波器实地测一下，就是这个波形。 (2012-03-07  09:09) 

每个小的积分周期都应该是相同的，这是34401A的ADC的特点，它需要依靠这一特点解决很多问题。

youngliu

zhaossy:斜坡计数是ASIC芯片（内部8位）和CPU定时计数器（通过SYNC信号，16位计数器位数）一起计数的；ASIC的计数器用于计低8位，CPU计数高16位，光计数器是24位长度；用于测量剩余电压的ADC(80C196内部ADC模块)是10位。计数器位数多，是为了满足更多积分时间的需要，比如34401A的最长积分 .. (2012-03-07  09:05)

2s，时钟周期2.6666us，最大计数值是750000，需要20bit了

zhaossy

17楼的兄弟钻牛角尖了。小的积分周期是定的啊，2.667uS，但正、负电压基准不是挨个交替接入的，也就是有可能正的电压基准连续接入2个2.667us。

zhaossy

积分时间为2秒，时钟周期为2.667us，有750000个时钟，但计数器不是对时钟计数啊，而是对正的电压基准接入次数或负的电压基准接入次数进行计数；最大计数差值约为250000左右，18位计数器就足够了。

0215波涛

坐下来看一看

wenjie484

哎呀，整了一天了，按照34401A积分电路搭出来的电路，出来的波形老是会出现几个大的三角波，而且个数随着输入电压的大小变化，单纯用D触发器我是没辙了

cuison

优秀文章，支持！n神马都是浮云

wbxms

鼓励原创。

a-fly

zhaossy:17楼的兄弟钻牛角尖了。小的积分周期是定的啊，2.667uS，但正、负电压基准不是挨个交替接入的，也就是有可能正的电压基准连续接入2个2.667us。 (2012-03-07  14:48) 

正、负电压基准必须是挨个交替接入，
而且当输入电压在正负10V范围内时，它们接入积分的时间是不会少于0.8us也不会多余1.6us的。

zhaossy

“正、负电压基准必须是挨个交替接入，而且当输入电压在正负10V范围内时，它们接入积分的时间是不会少于0.8us也不会多余1.6us的。”；不知从何说起啊，是什么原因让你对这个错误的认识这么确定？

zhaossy

如果正、负电压基准必须是挨个交替接入，就不用计数了，因为积分时间一定的话，计数值也就定了；正、负电压基准的接入周期必需是2.66us的整数倍，没有0.8us和1.6us之说；相同的电压基准连续接入的次数一般不超过2次。

a-fly

zhaossy:“正、负电压基准必须是挨个交替接入，而且当输入电压在正负10V范围内时，它们接入积分的时间是不会少于0.8us也不会多余1.6us的。”；不知从何说起啊，是什么原因让你对这个错误的认识这么确定？ (2012-03-08  09:13) 

因为已经实现了这个AD，
在10V档在100PLC积分时间的噪声为0.36uVrms（相对10V的标准差为0.036ppm），10PLC为1.23uVrms。，1PLC为4.9uVrms。
100mV档，100PLC积分时间的噪声为0.27ppm（27nV），10PLC为0.91ppm，1PLC为2.86ppm。

zhaossy

但测量灵敏度问题分析和正负电压基准接入分析没有关系啊。积分波形及控制时序都是实测HP34401A。我也实现了这个ADC，楼上大侠是否可以共享一下战果啊。