高位表ADC方案之一及与HP3458A的比较

haixian

HP3458A是8位半表中的极品。更可怕的是他敢于公开核心技术，不怕挑战和竞争。此产品问世20多年来，也确实保持了领先地位。可见核心技术外的东西可能才是关键。本人提出的方案，力争能够挑战这一行业老大的领头位置。
我的高位表ADC方案：如图

方案简介：
1.       工作原理：普通积分式ADC的工作是先以输入信号积分，再以参考电压反方向积分。HP3458A的方案是实行多次交替的输入正方向积分及参考电压的反方向积分。反方向积分采用多斜率，以获得较快的速度和较高的精度。本方案的核心是：输入正方向积分和参考电压反方向同时进行，参考电压数值，由快速ADC获得的数据控制，积分到预定时间时，再停止输入电压积分，用参考电压反方向积分，直到回零。
2.       以上方案中对DAC的匹配精度要求很高，（定性分析，应该与3458A同水平）如果DAC电阻制造困难，可以考虑把DAC改成PWM工作形式。不过这样，对积分器的要求就变高了。（定性分析，应该与3458A同水平）
3.       如果既要不使用高精度电阻，又不使用高精度积分器，可以考虑PWM的DAC+减法放大器，直接驱动LTC2440类ADC转换。此时要考虑的是快速，高精度PWM的DAC，等问题。
由此可见，不管采用什么方法，高精度ADC实际还是依赖于器件的精度。但是对于不同的公司，地区而言，技术能力（含技术传统，技术储备等），生产能力各不相同。设计技巧只有与本地能力相适应，才可能做出最优秀的产品。由于HP3458A需要高精度的匹配电阻和高精度的积分器两项才能保证0.1PPM非线性，而本方案中一，二两个子方案只需一项高精度选项就可以，自然在各种条件相同时，应该做出优于HP3458A的ADC。子方案三，还要做些工作，不过能够突破的话，将可能大幅度的优于HP3458A的ADC。

各种方案比较表

	特点	电阻网络	积分器	备注
HP3458A	多斜率，多次积分	要求高	要求高	已成为业界标杆
本人方案1	正反向积分同时进行	要求高	要求低
本人方案2	PWM参考源	要求低	要求高
本人方案3	PWM参考源，压差放大	要求低	无	有一些问题未解决

附，3458A的几个问题：
1)       HP3458A的文章中，对相关的网络电阻的误差要求描述似乎有问题，实际这几个电阻要求非常高，其相对精度影响了整个系统的非线性。特别是前几个电阻，实际跟踪精度应该在0.1PPM以内。这是因为，整个ADC是线性系统，这几个电阻的跟踪误差，是系统误差的一部分，系统误差只会大，不会小，除非用非线性系数校正。
2)       积分运放由3个不同公司的运放构成，估计是由于线性的需要，三种不同的设计风格，制造工艺，最后组合成线性良好的积分器。实际上从生产的角度看，单一公司的芯片更容易组织。美国有许多老公司，非常崇拜这些手艺型的工程师。这些人既有理论知识，又有实践经验，动手能力还特强。高工资，还没压力，专门琢磨歪点子，做别人做不出的东西。这些人在仪表界特多，尤其是计量和RF类的仪表。
个人认为，这是该ADC最关键的两个部分。
感谢38度论坛，我在这里吸收了丰富的营养，才有这些方案。HP3458A的原理图及许多分析文章，都是在本坛看到的。其他论坛还真没这儿热闹。
高位表方案之二，将择日发表。
该方案纯属纸上谈兵。不过一切成功皆有这一步。欢迎拍砖，不过希望能讲出理由来。


3458A ADC 简图


电阻网络关系译文


3458A ADC 积分器原理图

大胡子

很高兴有人敢做这种工作，中国需要，世界需要。

chinalong007

学习了！

cdma

占位子，持续学习

cuison

高深，围观学习。

haixian

happymanlxh:PWM做到高分辨率估计比积分器更难。而且还影响测试速度。不过一定要支持楼主！！期待 (2012-01-09  14:06) 

在这里PWM不用高分辨率，只要提供8-12位就足够了。

wangruiguang

    

zifzhu

PWM的上升沿和下降沿不是一致的，而且PWM的输出级开关特性也就是Voh,Vol都很难控制使其达到一个参考源的标准。有8位的分辨率就很高估了。

zifzhu

再说了，就算pwm的精度可以接受，以12位来说就需要4096个时钟来完成，那需要多快的pwm开关速度？16位就是65536个时钟。
还有pwm形成的纹波怎么办？靠极大的电阻和电容？那响应时间呢？

a-fly

1、绿色的那个图中的+S16的电阻应该是640k，+S1应该是1024k。
2、3458A实际电路并不是这样用的，Vin的电阻应该只有50k的，那个10k电阻应该是用于交流测量才用的，自然，参考积分的10k电阻也应该是在交流才用，并且都是用多个网络电阻构成的。
3、楼主的PWM思路是正确的，但整体方案不太合适。
4、类似的积分型ADC的关键是噪声，线性度是比较容易实现的。

a-fly

那篇中文版文档的作者应该还没有看懂英文版的原版文章，其中的一些理解很明显是错误的。

lysoft

你这个方案就是专利库中的方案
有这些问题: DAC的输出线性和噪声极大的影响精度
PWM在在占空比很低的情况下,不仅噪声较大,而且滤波器自身的线性也明显影响着PWM DAC的输出

4910的PWM 7V升压10V,其占空比较大,所以噪声尚能控制在较低水平

zhaossy

在下说说愚见：一、楼主似乎没有从噪音分析的角度来说明高精度ADC的设计方案；测量精度高，就要求能够分辨出微弱信号，而分析微弱信号，就离不开噪音分析，HP3458A的文档中是分析的。
二、在多斜积分中，不仅要求积分速度快，更重要的是如何保持积分电荷的绝对平衡，包括正负基准接入的次数，模拟开关的开关次序和次数，否则泄露电荷导致的误差将会远大于设计的精度要求。
三、上述2点没有考虑过，说明楼主对高精度测量还没找对路子；建议楼主做出实物来，请大家测试。
四、回答楼主提出的关于3458A的问题。
    1.楼主说3458A的前端积分电阻温漂应该低于0.1ppm才能达到指标；非也，温漂越小固然越好，但君不见，电路设计就是一个折中的过程，指标参数给予一定裕量就可。而且并非是积分电阻达到0.1ppm了整个表的精度才能达到0.1ppm，要根据测量结果与该电阻阻值的关系来定，也就是看阻值对测量结果影响的权值来定。
    2.关于3458A的积分器用3个运放的问题；这个肯定不是根据工艺来选择的，而是根据参数指标，比如大的偏置输入电流的运放肯定不适合做积分器的输入级，但有可能适合做缓冲级，因为速度高。实际上这3个运放是有不同的功能的，大家可以看看NS的一篇20位ADC的设计文档，里面有对积分器的较为详细的描述。

haixian

lysoft:你这个方案就是专利库中的方案
有这些问题: DAC的输出线性和噪声极大的影响精度
PWM在在占空比很低的情况下,不仅噪声较大,而且滤波器自身的线性也明显影响着PWM DAC的输出

4910的PWM 7V升压10V,其占空比较大,所以噪声尚能控制在较低水平 (2012-01-12  22:17) 

我查了中国和美国的专利，都没有类似的。请给出具体链接。谢谢。减法方式是ADC常用技术，例如逐次比较ADC等。不存在侵权。

haixian

关于PWM的问题
1.  滤波：PWM有快速滤波方法，只要几个周期就可以稳定。不过有残余纹波，百微伏左右。网上可以查到。只要把频率选在50或60HZ上，纹波大就被后面的ADC抑制了。顺便说几句。有人DIY，PWM的电压源，实际不需要把纹波做的很低。否则滤波很难，带来的误差更大。因为我们主要是校表，不论指针表还是数字表，都应该是合适的。
2. 噪声：噪声估算应该与参考源同量级。PWM的附加噪声，频率或开关抖动应该不大，因为现在的FPGA可以处理千兆级的信号，对于几十兆应该没问题。开关过程噪声，也是同理。
3. 稳定度和精度：这个比较难说。从仿真看效果不错。请做过的朋友谈谈。

haixian

zhaossy:在下说说愚见：一、楼主似乎没有从噪音分析的角度来说明高精度ADC的设计方案；测量精度高，就要求能够分辨出微弱信号，而分析微弱信号，就离不开噪音分析，HP3458A的文档中是分析的。
二、在多斜积分中，不仅要求积分速度快，更重要的是如何保持积分电荷的绝对平衡，包括正负基准 .. (2012-01-13  09:47) 

1. 噪声问题：3458A的ADC噪声要求不是很高，从他选用的芯片就可以看出来。另外，他文中说了，比较器分辨率是1mv，这说明用的就是一般技术。难题是把120000V的斜率在+/-15V的条件下做出来，又不损失精度。真正的噪声问题是在前级放大。不过如果HP把前级和ADC做在一起，那可能就是9.5或10.5位了。估计正在研制中。
2. 开关损耗：是定值，可以在计算中除去，也可以想办法抵消。很难估算，只有在实物平台上测试和解决。
3. 制作实物：很难。不仅要钱和设备，更重要的是团队。不过，本人现在待业，有什么公司想试试，我可以加入。在成功前，不拿工资。
4. 电阻精度问题：这个当初考虑不周到。我实际画了自己的子方案二的原理图，慢慢的很接近3458A的图纸了。
5. 3458A的积分器3个运放的问题：兄弟有所误解，我不是说从工艺的角度选的芯片。我的意思是：如果从性能要求的角度考虑，这三个公司，任何一家都可以找到这几个芯片。更何况像HP这样的公司，专门做或改，这些厂商都会接受的。我考虑如果从技术需要的角度看，其运放设计方案可能都差不多，最能体现差异的只有生产工艺带来的差别。这些差别一定是非常细微的，用现有的仿真软件和模型都不一定能看出来。我只是猜测。其他的可能性包括，设计者个人的喜好；故弄玄虚；历史原因；摆平各厂家等等。不过技术原因，我只想出来这一个。具体的一做就知道了。现在只是猜。

a-fly

建议楼主还是回到34401A，先看懂34401A的原理。
34401A是在3458A的基础上开发的，比3458A更先进一些，电路结构更简洁（因为精度要求低了）。
电阻，其阻值的精度不是问题，其温漂也不是问题，关键的是温漂的一致性。

另外：高位AD的噪声是最重要的，对于1个10V量程的AD，在200ms积分时间的条件下，其噪声水平至少低于0.3ppm(3uVrms)，否则无法用于6位半。

a-fly

haixian:关于PWM的问题
1.  滤波：PWM有快速滤波方法，只要几个周期就可以稳定。不过有残余纹波，百微伏左右。网上可以查到。只要把频率选在50或60HZ上，纹波大就被后面的ADC抑制了。顺便说几句。有人DIY，PWM的电压源，实际不需要把纹波做的很低。否则滤波很难，带来的误差更大 .. (2012-01-14  02:39) 

1、如果需要考虑PWM的滤波，那么你的方向就错了，就会完全无法达到你的目标。及时是快速稳定的PWM滤波电路，也要考虑模拟开关的注入电荷问题，滤波电路的线性问题，等等。
2、做个6位半的AD也要用FPGA？小题大做了。

zhaossy

FPGA倒是不必要用，CPLD还是比较好的设计方案。HP34401A里有用到，其实就是需要一些逻辑门、计数器、分频器什么的，主要是响应实时性上的要求。

lysoft

haixian:我查了中国和美国的专利，都没有类似的。请给出具体链接。谢谢。减法方式是ADC常用技术，例如逐次比较ADC等。不存在侵权。(2012-01-14  02:11)嬀/color]

侵权都没人管你的了,因为未缴年费专利权终止,从2007-04-25开始失效了,哈哈

申请号：01109052.9

精度20位以上、速度20KHz以上的模数转换器

参考 http://www.soopat.com/Patent/01109052

a-fly

多谢楼上分享这个信息。

但这好像是一个蛋痛的专利。
这个设计思路在80年代末的教科书上已经出现，但那是用于低速测量的，是可行的，因为那个DAC需要精度是最高的，他的精度应该高于整个ADC，低速的DAC可以用16bit的PWM来实现，但20kHz以上的DAC用什么来实现？而且精度要求高于20bit。
PWM的精度其实是可以高于他的分辨率的，譬如，8Bit的PWM的精度其实和16Bit是一样的，做到20bit的精度没问题，但是想要20kHz以上不容易啊！

但是如果专利说明中口口声声所称的“20位精度”其实只是“20位分辨率”，那就是另外一回事了。
由于专利中只说明了这种电路框架，而没有真正的方法，所以很蛋痛。

zifzhu

LZ还是很不错的，这年头能不被束缚在原有国外技术的框架下，敢于质疑，敢于提出自己的观点。这种工程师，美国的比例大约是10-20%，中国只有2-3%，全是被万恶的教育体制迫害的。

不管现在这个方案的技术是否可行，只要一直抱着这种态度，今后总归会有所突破，哪怕机会只有1%，尝试100次只要一次成功就行了

haixian

lysoft:侵权都没人管你的了,因为未缴年费专利权终止,从2007-04-25开始失效了,哈哈

申请号：01109052.9

....... (2012-01-14  20:16) 

这就对了，减法型的ADC是不应该申请专利的。流水线型的ADC就是一次一次往下减。所以速度高。我在帖子中已说，我的方案核心是正反向同时积分，请再看看。不过我也没打算申请专利。只是想活跃一下学术气氛。你的链接证明，这确实是我思考后的原创。不是从专利库中搬出来的哗众取宠。

haixian

本文系原创，纯属纸上谈兵，意在活跃气氛，为中国未来的高位表诞生铺砖筑路。如果与某位先知思路相同，那正是“英雄所见略同”，请别在意。

zifzhu

其实，那个电阻的精度真的没有大关系，只要在短期内用自己的基准电压先自校准一下就行了，在几十毫秒之内完成了自校准和对被测单元的测量，有短期的稳定度就够了，所以来说短期的噪音更重要。说白了就是短期内对自身的7V基准测一遍，再对被测单元测一遍，神马温漂，长稳啥的都是浮云

有什么PWM可以强过自身的7V基准源头？

LZ的PWM思路是否可以用到欧姆电流源，如果做的好的话可以替代那个高匹配要求的网络电阻

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