数字闭环自校准程控六位半电压发生器的试制和测试（基于 LTC2400/AD5541）

lilith · 发表于 2012-9-23 01:46:02

方案来自 Linear 的 An86：AN86 - A Standards Lab Grade 20-Bit DAC with 0.1ppm/° Drift: The Dedicated Art of Digitizing One Part Per Million

设计理念：用 LTC2400 在一个闭环周期中测试一次“参考基准”，这里是 LM399，当然也可以是更加可靠的比如 LTZ1000，然后再测试一次 DAC 的输出，计算两者的比例差异并调整 DAC 使得两者保持一个恒定的比例，从而尽可能消除 DAC 的温度系数和老化的影响，将输出电压尽可能纠正到这个参考基准上。

演示视频：
http://www.tudou.com/programs/view/pJ74U0pL9pU/

视频说明：
视频演示了通过串口设定电压，以及开启或关闭数字闭环的过程。由于数字闭环不停调整 DAC 的输出，所以闭环状态下，噪声会略大一些，在需要低噪声的场合，可以关闭数字闭环，甚至关闭回读的 ADC。

00:07，关闭了回读系统，此时自动转入开环状态（没有回读自然无法闭环），回读显示区域显示“------”，运行指示灯显示“STOP”，此时输出的电压具有最低噪声
00:18，在上位机设置了一个新的电压 10V*
00:26，在上位机设置了一个新的电压 9V
00:45，在上位机设置了一个新的电压 8V，然后打开回读，并设置系统为闭环状态

00:59，闭环调整成功，再设置为开环，之前调整到的电压保持不变
01:15，在上位机设置了一个新的电压 9V，与 00:26 一致，但回读仍开启，可以从屏幕读出实际上的输出电压值以及其和设定值之间的误差
01:22，设置系统闭环，开始调整输出电压值
01:31，闭环调整成功并保持

*开环状态下设定的电压不被纠正，其准确度取决于 DAC 基准电压和 DAC 输出缓冲的增益，这两个值可以在校准程序中调整，但其非线性和电路失调不做校正。表格 B 记录了此状态下输出电压的误差
**目前尚未设计失调的调整电路

上位机程序，由于键盘尚未涉及，故目前只能通过上位机程序设定电压或调整系统状态

设计历程：
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=23835
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=29282

设计目标：
1、10V 量程下，6 位半的电压设定和回读分辨率
2、10V 输出幅度时，1ppm rms 的噪声
3、5ppm/度的温度系数
4、10-25ppm 的年稳
5、曲线拟合纠正后 10ppm 的非线性误差

测试达到的目标
1、达到整 7 位的电压设定和回读分辨率，即 <10V 时，电压设定和回读分辨率达到 1uV
2、实现了 1ppm 峰峰值的噪声
3、样机 A 在 22 - 34 度变温测试中，温度系数优于 0.1ppm/度
4、这个需要时间来检验
5、达到 0.4ppm 的非线性误差

测试数据和图表

1.1 开环状态下的噪声，采样周期 10plc

1.2 闭环状态下的噪声，采样周期 10plc

从此数据看来，具备 6 位半电压设定分辨率的现实可用性

2 线性测试图表，从此数据看来，具备作为 6 位半电压源的实用性*
A：设置值；B：关闭数字闭环时的输出值；C：未进行非线性校准时的闭环输出值；F：非线性校准后的闭环输出值；G：非线性校准后输出值相对设定值的误差

*因为校准值写入已经超过 24 小时，所以此数据可以作为 24 小时准确度的参考，测试条件为环境温度 26 摄氏度；测定仪器 R6581 已在测试前 5 分钟做过自校准

lilith · 发表于 2012-9-23 01:49:38

呼呼先，明天继续

由于设计此 PCB 的 TR 的失误，这块 PCB 有不少错误，其中一些错误通过割线和飞线做了一些修正，但依然不是比较理想的状态就是了。

背面飞线，主要解决地线乱走的问题

正面飞线，主要是器件连接错误问题，此外，由于单片机部分电源走线过细而不得不单独飞电源线

装壳，由于 TR 的失误，电源板也比较

线性测试，设定值为 1V：

线性测试，设定值为 2V：

线性测试，设定值为 3V：

线性测试，设定值为 4V：

线性测试，设定值为 5V：

线性测试，设定值为 6V：

线性测试，设定值为 7V：

线性测试，设定值为 8V：

线性测试，设定值为 9V：

线性测试，设定值为 10V：

thy888 · 发表于 2012-9-23 07:56:57

好东西，有玩的了

cdma · 发表于 2012-9-23 08:18:03

优秀文章，支持！n神马都是浮云

fxw451 · 发表于 2012-9-23 08:21:00

好东西，相当不错！！

记忆中黄土地 · 发表于 2012-9-23 08:52:28

优秀文章，支持！

lp206 · 发表于 2012-9-23 08:54:41

照片拍的好！！

多上图

hjhjhjhjhjhj · 发表于 2012-9-23 09:23:56

优秀文章，支持！n神马都是浮云

mcmwy · 发表于 2012-9-23 10:35:28

关注啊

puff · 发表于 2012-9-23 10:48:07

强烈支持。。。。

happymanlxh · 发表于 2012-9-23 10:48:48

提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

基站 · 发表于 2012-9-23 10:49:48

好东西，优秀文章[s:19]

poseidonstorm · 发表于 2012-9-23 11:06:57

线性的话还是要靠着 DNL和INL来评估吧？

单看是否输出是一条斜线，似乎无法说明绝对的线性。

逐点扫描几遍用excel加加减减一下~

当时我单单做12bit DAC时候扫一轮就用了6个多小时（34401）。。。

支持DIY~

ripple · 发表于 2012-9-23 11:11:59

优秀文章，支持！n神马都是浮云

zpywz · 发表于 2012-9-23 11:14:44

期待楼主出套件。

zxmb · 发表于 2012-9-23 11:50:46

优秀文章，支持！n神马都是浮云

轩尼诗 · 发表于 2012-9-23 11:55:26

支持，生命不息，折腾不止。[s:31]

ascetic_wn · 发表于 2012-9-23 12:25:32

[s:31] [s:31] [s:31]

a-fly · 发表于 2012-9-23 12:27:11

挺好！但其第5项指标的结果是0.02ppm的非线性，尚严重缺乏依据。

lilith · 发表于 2012-9-23 12:35:29

poseidonstorm:线性的话还是要靠着 DNL和INL来评估吧？

单看是否输出是一条斜线，似乎无法说明绝对的线性。

....... (2012-09-23 11:06)

逐点测试这个确实是比较花时间的，而且其实有一个问题就是 INL 定义为整条直线上输（入）出值和真实值之间的最大误差，所以确实应该逐点，但对于这个其实有 2^24 点的设计来说，逐点扫描确实不太现实，并且其实，1/2^24 的线性度测试好像对表来说也是过高的要求？

不过就“整条直线上输（入）出值和真实值之间的最大误差”来看，INL 应该是 4uVerr / 10V range = 0.4ppm

lilith · 发表于 2012-9-23 12:35:55

a-fly:挺好！但其第5项指标的结果是0.02ppm的非线性，尚严重缺乏依据。 (2012-09-23 12:27)

嗯，这个是的，还待进一步测试

jsg1980 · 发表于 2012-9-23 12:52:36

很好很强大等pcb啊

dy008 · 发表于 2012-9-23 13:41:09

越来越好了，预定套件啊！

poseidonstorm · 发表于 2012-9-23 15:28:51

lilith:逐点测试这个确实是比较花时间的，而且其实有一个问题就是 INL 定义为整条直线上输（入）出值和真实值之间的最大误差，所以确实应该逐点，但对于这个其实有 2^24 点的设计来说，逐点扫描确实不太现实，并且其实，1/2^24 的线性度测试好像对表来说也是过高的要求？

....... (2012-09-23 12:35) 

这倒是╮(╯_╰)╭ 我当时是做了上位机脚本跑的，然后我开开心心的打了好多天的酱油~反正让他跑着呗~哈哈~

照道理来说24bit DA 用26bit AD 或者表（假定是精度）来评估实际是不科学的，必须有更高位数的才可以去做他，而且SNR=6.02*26+1.76 这样的信噪比环境实在太过困难，到时候我把我写的混合信号测量测试方法给你看看，有机会的话讨论下

dinghongbo99 · 发表于 2012-9-23 17:55:40

优秀文章，支持

7732 · 发表于 2012-9-23 19:10:11

chuxp · 发表于 2012-9-23 20:38:25

超强大啊！已经接近实用了。其实线性度可简单分段修正，觉得六位半的分辨力相对难一些。

一杯清茶 · 发表于 2012-9-24 07:48:11

非常不错的作品

longshort · 发表于 2012-9-24 08:28:07

哈，非常漂亮！
对于24小时稳定度，我觉得应采用第二个24小时的值，这样比较接近真实的稳定性趋势。第一个24小时的稳定度数据其实包含了开机老化的变化。

lilith · 发表于 2012-9-24 10:23:49

longshort:
哈，非常漂亮！
对于24小时稳定度，我觉得应采用第二个24小时的值，这样比较接近真实的稳定性趋势。第一个24小时的稳定度数据其实包含了开机老化的变化。

所以我前天晚上没有关机，持续通电，昨天中午和晚上各读数一次，表现还是很好唷

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happymanlxh happymanlxh 当前离线	发表于 2012-9-23 10:48:48 \| 显示全部楼层提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽
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