挑選合適的元件達成 7.5 位數量測解析度

儀器設計人員面臨要在高效能數據擷取系統中達到 7.5 位數解析度的挑戰，包括數位萬用電表 (DMM)、電子秤和地震記錄儀。雖然解析度高達 6.5 位元的儀器會採用多斜率類比數位轉換器 (ADC)，但礙於幾個元件規格的限制和實作上的難題，更高解析度的設計變得更加困難。

本文章將探討精密類比元件的規格限制，如何影響可達到的儀器解析度。接著會說明如何慎選 Analog Devices 的連續漸近暫存器 (SAR) ADC、高精密參考電壓、匹配的電阻網路和零漂移、低雜訊放大器 (LNA)，以便達到 7.5 位數的解析度。

數位化前端元件概述

精密數位儀器，例如 DMM，會使用一個前端元件將類比電壓轉換成數位值。前端元件的核心是 ADC (圖 1)。大多數 ADC 具有固定的輸入電壓範圍，因此必須將輸入訊號放大或衰減加以配合。這就需要使用放大器和電阻式衰減器。若使用 SAR ADC，則同時也需要精密參考電壓來源。挑選這些元件時，全都要考量低雜訊、低 DC 漂移和穩定增益，以達到最大的系統整體準確度。

圖 1：此為高精度儀器數位前端元件的方塊圖，其核心是一個 ADC。(圖片來源：ADI)

挑選適合的 ADC

挑選 ADC 的第一步是判定所需的電壓解析度。使用 DMM 等儀器時，此解析度通常是以位數來代表。典型的桌上型 DMM 解析度為 6.5 位數。這表示會有六個十進位數 (0 到 9) 加上一個值為 0 或 1 的半位數。未標度的讀數範圍從 +1,999,999 延伸到 -1,999,999 計數；此總數通常會稱為 4,000,000 計數解析度。

二進位裝置的計數單純是 2 的位元數次方。位數和位元數可以依據彼此進行描繪 (圖 2)，但並不會變成彼此的整數倍數。

圖 2：針對位元的整數以及顯示之位數來計算位元數後所描繪出的位數圖。(圖片來源：Art Pini)

這些計算的共同元素是裝置所代表之離散值的計數或數量。指定計數的位數單純是 log₁₀ (計數)。指定計數的等效位元數為 log₁₀ (計數)/log₁₀(2) 或位數/log₁₀(2)。因此，4,000,000 的計數會對應 21.932 的位元數。

關於解析度和準確度的說明

位數和位元數都可指儀器的電壓解析度。一台 6.5 位數的 DMM 在 10 V 範圍下，可以測量 -10 V 至 +10 V 的電壓，計數為 4,000,000。這表示每個步階為 5 µV。這是該裝置的解析度，而非讀數的準確度。準確度是指測量值與真實值的接近程度。有許多因素會影響測量準確度，包括雜訊、偏移誤差、增益誤差和非線性。這些不確定性來源都源自於儀器的前端元件。

一台典型的 7.5 位數 DMM 在 10 V 範圍下，其 24 小時的準確度可能是測量值的 8 ppm，加上選定範圍的 2 ppm 不確定度 (8+2)。為期 1 年的額定長期準確度可以是 ±(16+2) ppm。ADC 線性度必須位於 1.5 ppm 範圍內，且溫度誤差必須低至 5 ±1 ppm/°C。

要達到此準確度水準，就要瞭解所需元件的短期及長期誤差來源。

高精度數位前端元件的 ADC

圖 1 顯示典型的數位前端元件。其使用一個 24 位元 SAR ADC，可提供高解析度和中等速度。SAR ADC 會將輸入訊號施加到比較器。比較器的另一個接腳會接收來自 SAR 驅動之數位類比轉換器 (DAC) 的猜測電壓。這個暫存器的階段數與 ADC 的位元數相同。一開始會先產生一道在 ADC 電壓範圍內一半的猜測電壓。比較器會指出輸入電壓是高於或低於以參考電壓為準的猜測電壓。如果猜測值小於輸入值，則會暫存器位元中存入「1」；否則，就存入「0」。

暫存器會依序進展其狀態，以二進位步階逐漸降低猜測電壓。當猜測電壓盡可能越來越接近輸入訊號時，流程會停止，暫存器即含有等於輸入電壓的數位碼。ADC 接著會發出轉換完成的訊號以讀取該二進位碼。

請注意，SAR ADC 需要精密且穩定的參考電壓以驅動其 DAC。若是多重範圍儀器，訊號調整也是必要的，以確保 ADC 輸入盡可能接近 ADC 的全量程範圍且不會超過。

Analog Devices 的 AD4630-24BBCZ-RL 是 7.5 位數數位前端元件的良好選擇。這款雙通道 24 位元 SAR ADC 能以 2 MSPS 運作，並支援單端或差動操作。此 ADC 使用 5 V 參考電壓，並具備 0.1 ppm (最大 0.9 ppm) 的典型線性度。含有一個區塊平均濾波器，其中的可編程降頻取樣比例可大幅減少雜訊，並在低輸出率下將動態範圍擴大到 153 dB。透過區塊平均法，就可在 60 Hz 輸出數據率下達到 98 nV rms 輸入參考雜訊，當以滿量程輸入作為參考時，可達到 7.7 位數的雜訊受限有效解析度。

參考電壓

由於 SAR ADC 的輸出是基於輸入電壓與源自參考電壓的電壓位準進行比較而來，因此非常講究該參考電壓的準確度、穩定性和雜訊位準。為了支援穩定性，埋入式齊納參考技術，可讓裝置深入矽基板內，以便達到非常穩定的崩潰電壓。此作法能與表面污染隔離、減少熱效應，並降低對應力和濕度的敏感性。只要加入內部加熱器，就可達到更高的參考電壓穩定性，就能進一步減少環境溫度變化的影響。

圖 1 中所用的參考電壓為 ADR1001AEZ (圖 3)。這是一款爐控式、埋入式齊納高精度裝置，將加熱器控制、參考來源、輸出緩衝放大器及所有相關訊號調整都整合在單一封裝中，因此能簡化設計流程並縮小安裝覆蓋區。

圖 3：ADR1001AEZ 的功能方塊圖顯示出加熱器控制 (左)、參考來源 (中)和輸出緩衝放大器 (右)。(圖片來源：ADI)

ADR1001AEZ 的標稱輸出電壓為 6.6 V 且精確微調至 5 V ±0.25%，額定輸出電流為 10 mA。其晶片上加熱器會將溫度係數維持在低於 0.2 ppm/°C。5 V 輸出雜訊 (0.1 至 10 Hz) 為 0.13 ppm 峰對峰 (p-p)，計算結果為 0.65 mV p-p。

7.5 位數解析度的放大器

輸入放大器會接至數位前端元件，與匹配的電阻網路一起運作，將輸入訊號縮放，以配合 ADC 的指定輸入電壓。這款放大器會在必要時提供增益或衰減，因此必須具備低電壓漂移和雜訊，以達到所需的 7.5 位數解析度。截波穩定的 ADA4523-1 是達成此任務不錯的選擇。這款低雜訊、零漂移的軌對軌放大器，在 5 V 下、-40°C 至 +125°C 工作溫度範圍內的偏移電壓為 ±4 µV (最大)。會利用自我校準電路將隨溫度變化的電壓漂移保持在 0.01 µV/°C 以下，藉此確保達到低 DC 漂移。

ADA4523-1 的共模拒斥比為 160 dB (典型)，在 0.1 至 10 Hz 下，雜訊位準為 88 nV p-p (典型) (圖 4)。

圖 4：此為 ADA4523-1 放大器在 0.1 Hz 至 10 Hz 範圍內的雜訊波形。(圖片來源：ADI)

挑選匹配的電阻網路

匹配的電阻網路是指含有多個電阻的單一封裝，且其電性彼此匹配，例如電阻值、容差和溫度係數。絕對電阻值並非關鍵，但數值要精確匹配，並在寬廣的工作溫度範圍內繼續維持，以便電阻值比例維持不變。

舉例而言，LT5400BIMS8E-7 (圖 5) 是一款四電阻陣列，其中含有兩個 1.25 kΩ 電阻和兩個 5 kΩ 電阻，可提供 4:1 的比例和四倍的增益。這些電阻的標稱電阻容差為 ±15%，但電阻值比率則要匹配到 ±0.025%。由於共用封裝，4:1 的電阻值比例可隨溫度繼續維持，並具有 ±25 ppm/°C 的電阻溫度係數。隨溫度變化的電阻值比率漂移為 ±0.2 ppm/°C。

圖 5：此差動放大器採用 LT5400-7 達到四倍增益。(圖片來源：ADI)

低溫度漂移非常重要，因為放大器增益是由 R1 對 R2 以及 R4 對 R3 的比例決定。電阻的匹配可讓放大器的兩半增益維持穩定，並確保兩半的增益相符，進而維持高共模抑制比 (CMRR)。

結論

雖然儀器設計人員要在高效能數據擷取系統中達成 7.5 位數解析度可能會面臨挑戰，但只要選用合適的元件，仍可有效實作。如本文所述，Analog Devices 提供的高精度、低非線性和低偏移漂移元件，例如 AD4630-24BBCZ-RL ADC、ADR1001AEZ 參考電壓、ADA4523-1 放大器和 LT5400BIMS8E-7 匹配電阻網絡，都可簡化高效能前端元件的設計。