我也做个Voltgen，阶段性验证
本帖最后由 MF35_ 于 2024-7-24 00:13 编辑电路基本构架和washu的Voltgen一样，区别是替换大部分部件（尽量用我手头有的），模拟电路参数有修改，我的设计是20V输出的，所以DAC放大和ADC衰减都是4倍，得到0~5V左右的电压后转换到-5V~5V给差分ADC
ADC部分，原计划使用AD7175-2
但发现手头有ADS127L21，于是实际插的是这个转接板，这个ADC的好处是INL更好，但噪声比7175稍高，这玩意儿特喵的居然不能直接用晶振，无奈外部挂了个振荡器
DAC电路就没啥区别了，原计划两个AD5541
但同样因为手头有DAC82002，这玩意儿直接两路输出，指标和AD5541相当，于是就它了，那个4094是用来选择模拟开关的
调试中，没做控制板，先用一个Discovery的开发板调着，单片机内部做了个shell通过串口终端访问
初步调试结果，主要验证ADC采样性能，ADC设置为时钟16M，fmod=8M，OSR=160k，也就是20mS输出一个数据（这个参数可以抑制工频），Sinc3滤波，按照手册给出的标准，噪声在200nV/rms，但实际上我初步测试时，测量接地电压和7V基准电压时完全不跳字，不管怎么测都不跳，即便测基准属于自己测自己，基准的噪声抵消了，但ADC自身也有噪声吧，TI的ADC啥时候这么牛逼了。
要不是测DAC输出电压有跳动（因为我的DAC和ADC是共用SPI的，初版我忘了隔离DAC的数字口，所以ADC采样时SPI信号会通过DAC泄露，如果不是泄露，DAC输出不会突然出现300uV的跳水），我都开始怀疑是不是程序有问题了。
基本就只能到这里了，DAC有问题，得等新的带隔离的转接板做回来再试 本帖最后由 MF35_ 于 2024-7-24 23:54 编辑
晚上继续测试，发现昨天乌龙了，读了三个字节共24位数据，data，data，data
然后粗心把代码写成了value = (data << 16) | (data << 8) | data;P
于是低8位就不变了（因为测量同一个电压时最高8位是不可能变的），改了后电压测试就看着很正常了，昨天那个一字不跳感觉就很假。
今天实际测了一下，发现读取低电压的时候，跳字很少，随着电压增大，跳字的幅度等比例增加，可以看到测量了四个电压，每个电压100次，其标准差的变化倍数，刚好基本等于电压的变化倍数
所以我觉得这不是ADC引入的噪声，否则噪声在不同电压下应该是相同的，为了验证这个结论，我试了下ADC自带的噪声测试模式，即ADC的差分输入内部短路并接到1/2VCC，结果不管怎么测，都只跳1个字，这已经优于手册给出的指标了，说明ADC没问题，但并不能说明基准没问题，因为这个测试的输入值实际是差分电压0（我的显示是经过了偏移计算的），基准的影响处于最低比例，是看不出来的
但由于测试低电压时噪声是正常的，而我的最低电压其实对应ADC的负极值，如果基准有问题，低电压（负极值）时波动应该和高电压（接近20V）的波动一样，波动最小应该出现在10V电压处（此时ADC差分输入值为0），但实际上并非如此，DAC输出10V时波动也是呈比例的，所以基准也应该没问题
但奇怪的是直接测7V基准，波动居然和DAC电压一样是呈比例的，考虑到输入接地的时候（此时ADC实际上测量的是-5V加上一个几十mV的偏移，这是为了避免ADC共模电压超出范围）噪声是正常的，所以ADC的输入放大转换电路应该也没问题，因为它此时并非接地的，而是有一个几十mV的输入，此时唯一接地的只有模拟开关和输入端缓冲放大器了，目前暂时没有什么头绪，回头再思考一下，明天不行把模拟开关和输入缓冲绕过去再试试
washu 发表于 2024-7-27 11:18
我第一次发行套件时有标准版，也就是最初设计的 AD5541 DAC，以及 Costdown 版 AD569 DAC 两个选择
后 ...
接地问题有点儿复杂，如果一个芯片有分开的模拟地和数字地引脚，那它们在外部必须连在一起，否则内部电路将因为不同参考点而无法工作，除非这个芯片内部模拟和数字部分是电气隔离，但ADC和DAC器件一般不会这么做，所以其AGND和DGND引脚必须在外部共地。
AD5541有两个GND，AGND专门用于给REF和VOUT提供参考点，DGND用于数字信号回流，在芯片内部，数字部分的电源回流从AGND走，模拟部分从DGND走，但因为电源引脚只有一个，所以电源回流路径必然合并为一条，如果人为的分割AGND和DGND使之回路路径不同，则必然会使其中一路回流路径不能闭合，而形成天线环。
AD5541这种设计这虽然比ADC芯片那种电源引脚也分开的模式要差一点（数字电源和模拟电源的回流路径可以人为分开避免模拟电源被干扰），但考虑到R2R-DAC芯片的数字部分是异步电路，也就是说你不给信号的时候其实它是没有任何干扰的，因此它可以和模拟部分共用电源，而模拟部分负责电压输出的电路，只是基准电压通过一个电阻网络分压而已（没有缓冲器），也就是说负责电压输出的部分，实际上是由REF供电的和芯片电源关系不大。基于这些原因，R2R-DAC芯片的模拟、数字电源回流合并不会影响DAC的输出。但因为除了输出部分，内部还有一些模拟电路也是需要供电的，所以DAC的手册都会注明，VDD要是用模拟电源。而DAC数字接口的信号回流，完全可以通过走线使其与电源回流分开来避免对电源产生干扰。
基于上述原因，R2R-DAC使用两个分开的GND，或者只有一个GND，本质是没区别的，除非它把VCC也分成两个。
AD569其实并不是两个GND的芯片，它的供电使用的是双电源，基准也是正负基准，但GND引脚同样只有一个，并部分模拟和数字，V+和V-、REF+和REF-实际上都是参考于GND的，所以我认为AD569、AD5541、DAC82002在这方面并没有本质区别。
这是我的电路板布局和供电走向，我用的是4层板，电源是在单独的层做分割，不同的部分供电线路不重叠，接地采用完整平面。我没有做地分割，因为地分割后，需要模数混合芯片（ADC和DAC）底部将数字地和模拟地桥接（在供电输入端桥接是错误的，会造成数字信号绕行），对于整个电路只有一个ADC或DAC的场合这很好搞，但这个电路有一个ADC和一个DAC，如果做地分割，就会有两个桥接处（DAC如果有两个GND，也必须在芯片底部桥接，如果只有一个GND，等于天然的在这个引脚桥接了），从而形成多点接地，多点接地是不推荐的，会产生一些奇奇怪怪的问题。
地分割的目的无非是把不同类型信号的回流分开，使之不能互相干扰，所以地分割只是手段不是目的，因此不做地分割地同样可以达到目的，因为信号回流总是沿着最低阻抗进行（即如果可能，回去的路径会尽可能紧挨着来时的路径），所以只要不同类型信号在布局和走向上合理划分，就可以做到回流分开。
我后来仔细分析了PCB设计，最后得出一个不论哪方面都与异常现象吻合度极高的结论：那就是干扰是由转接板导致的。
我最初的设计是使用AD7175和AD5541，基板上也是按这个电路布线的，只是预留了插座，调试的时候为了换ADC和DAC，只好用了转接板。转接板的接插件是存在接触阻抗的，因此转接板的地平面和基板的地平面之间就阻抗不为0了，当有数字信号从基板到达转接板时，回流信号就会在转接板地平面和基板地平面之间产生干扰电位差。
我画了个示意图，数字信号传递到转接板后，因为接插件的接触阻抗，会使转接板地平面相对基板地平面出现干扰电压。
由于DAC芯片REF和GND引脚之间有低ESR的大电容，所以干扰不会影响到REF和GND之间的电压（即DAC芯片得到的基准值）。但DAC芯片REF引脚相对于基板地平面的电压却可以受到干扰，由于为了尽可能降低基准噪声，基准缓冲器的带宽控制的非常低（不到10Hz），所以缓冲器对这个数字信号导致的干扰是无力调节的，所以DAC的输出电压对基板的地平面来说，也就同样带了干扰，而输出只是基准的分压，所以输出电压越大，干扰看上去就越大，这就完全说的通了。
这个干扰是以基板的地平面为参考来看的，而ADC同样使用了转接板，ADC转接板的地平面同样受到了干扰，为什么ADC本身没有问题呢？
因为被测电压在给到ADC之前，已经在基板地平面上转换为差分信号了，此时转接板的地平面无论怎么扰动，都不会对差分信号造成影响。同样因为ADC的REF和GND引脚之间也有低ESR的大电容，所以这个干扰同样不会影响ADC得到的基准值。所以ADC不论是短路自测，还是测量外部基准，还是测量外部输入的低噪声电压，都没有问题，因为这些被测信号本身都是参考于基板地平面的，到了ADC转接板前已经转为差分信号了，不受转接板地平面的干扰。同时基板地平面是一个整体平面，接地阻抗非常低，所以数字信号难以对地平面的局部电位产生影响，这也是大平面接地的优势。
本帖最后由 MF35_ 于 2024-7-28 19:06 编辑
washu 发表于 2024-7-27 11:18
我第一次发行套件时有标准版，也就是最初设计的 AD5541 DAC，以及 Costdown 版 AD569 DAC 两个选择
后 ...
果然，我分析的没错，问题的根源找到了，就是DAC用了转接板的问题，我的基板上已经是布好的AD5541布局，我把转接板拔掉，AD5541焊在基板上，噪声变得正常了，测量DAC输出时，噪声的ppm值和直接测量基准是一样的了。由于ADC依然用的转接板，从而引入了一些微小的干扰（差一点到1uVpp的样子)，但既然原因找到，这些都不是问题。
这是测试三次基准，每次读512个数
然后切换到DAC通道，测量不同DAC输出，可以看到不同输出电压下噪声的ppm值基本一致，而且与测量7V基准也基本一致，说明噪声基本源自LM399，不过依然达到6位半水准
俺要纠正你一个非常严重的错误，那个开发板不叫 Discovery，它叫 Nucleo :lol 严重期待 ADS127L21 的测试结果，这玩意儿好像比 AD7175-2 还略微便宜那么一丢丢 ~ 这ADC这么强吗？居然能50HZ七位连续1000个采样不跳字。还是测量的7V，七位半表都达不到这水准啊。 ADS127L21 INL 指标比较好. TYPE 0.4ppm MAX 1.4ppm可以直接做6位半了, 温漂也很小.INL/温漂基本是不能靠软件提高的.
国内不好买, 价格100+
采样率也可以做的很高. 也就是可以做4位半高速输出, 也可以做6位半低速输出,比较适合做表.
SPI影响问题, 可以延时一段时间再ADCC
scoopydoo 发表于 2024-7-24 06:24
严重期待 ADS127L21 的测试结果，这玩意儿好像比 AD7175-2 还略微便宜那么一丢丢 ~
我刚在立创商城查了一下这个ADC比7175贵一二十，立创还没现货。只能代订。 lg676041036 发表于 2024-7-24 08:28
我刚在立创商城查了一下这个ADC比7175贵一二十，立创还没现货。只能代订。
俺看的是得捷的价格，ADS127L21 单价 156.73，AD7175-2 单价 171.13 本帖最后由 MF35_ 于 2024-7-24 09:14 编辑
jforu 发表于 2024-7-24 08:17
ADS127L21 INL 指标比较好. TYPE 0.4ppm MAX 1.4ppm可以直接做6位半了, 温漂也很小.INL/温漂基本是不能 ...
SPI的影响是这样的，因为目前ADC用的是连续转换模式，每完成一次转换，MCU会从ADC读取数据，此时ADC内部已经在进行下一次转换了，而同时读取数据的SPI信号也会通到DAC去（没有隔离），DAC存在数字馈通，所以读取数据的时候SPI信号就会干扰ADC正在进行的转换的输入信号，所以这个加延迟其实没有用。
确实是有办法解决的，即使用单次转换模式，单次模式下ADC转换完成后不再进行下一次转换，需要再次启动ADC转换，即便启动过程是使用SPI命令，但ADC开始转换前，SPI通信已经完成了，所以不会干扰到DAC。用单次转换模式的问题是，sinc3滤波器输出一个完全数据需要3个转换周期（连续转换则只是第一个数据需要3个转换周期），如果是sinc4滤波器则需要4个，这意味着同样转换1000次，连续转换模式只需要1002个周期，单次模式则需要3000个周期。
当然，这也不是什么问题，如果单次转换后的噪声满足需要，就没区别，如果不满足，我需要每次读取数据时都进行多次转换然后软件再做一次滤波抽取，比如现在的数据速率是50（相当于1PLC），我可能会进行10次转换来把速率降到5（相当于10PLC）来降低噪声（因为这个ADC在16M时钟下最低输出速率就是50，要降低只能用软件，相当于自己加sinc1滤波），如果采用这种方案，那么每次转换都使用单次模式就会浪费大量时间，严重降低输出端的调整速度。
我先用隔离SPI的方式（即ADC通信时关断DAC的SPI）试试，如果不行就只能用单次模式了 本帖最后由 MF35_ 于 2024-7-24 09:15 编辑
scoopydoo 发表于 2024-7-24 08:45
俺看的是得捷的价格，ADS127L21 单价 156.73，AD7175-2 单价 171.13
我前两天调板子的时候脑袋抽了，断电上电的时候嫌麻烦，没有通过总开关，而是直接拔插了模拟板上的插头，因为电源是分体的，输出端电容在电源板上，模拟板上没有大电容，所以一插电把ADC烧了:L ，没办法又换了一片，心疼啊，手里总共就3片儿 scoopydoo 发表于 2024-7-24 06:16
俺要纠正你一个非常严重的错误，那个开发板不叫 Discovery，它叫 Nucleo
好吧，我和我另一个开发板搞混了，还真是Nucleo;P lg676041036 发表于 2024-7-24 08:15
这ADC这么强吗？居然能50HZ七位连续1000个采样不跳字。还是测量的7V，七位半表都达不到这水准啊。
所以我也纳闷儿啊，但确实哪里都正常，我通入一个1Hz正弦波，把采样值读出来用Excel看，确实是正弦波，所以数据读取的没问题 scoopydoo 发表于 2024-7-24 08:45
俺看的是得捷的价格，ADS127L21 单价 156.73，AD7175-2 单价 171.13
AD7175-2 国内立创是69元能买到. 本帖最后由 MF35_ 于 2024-7-24 09:18 编辑
scoopydoo 发表于 2024-7-24 08:45
俺看的是得捷的价格，ADS127L21 单价 156.73，AD7175-2 单价 171.13
7175-2立创卖70左右一片，我买了2片放着在，也做了7175的转换板，回头板子到了换上去也试试
ADS127L21官方价格确实要更便宜，只是这个片子比较新，国内代理商可能铺货不多，所以国内看上去贵一些，如果你只能在德姐买，哪这个挺合适 jforu 发表于 2024-7-24 08:17
ADS127L21 INL 指标比较好. TYPE 0.4ppm MAX 1.4ppm可以直接做6位半了, 温漂也很小.INL/温漂基本是不能 ...
我之所以认为是DAC被数据口干扰了，是通过第三组数据分析，那个最大值（打印信息max和min写反了，min对应的其实是最大值）和平均值之间差距很大，而最小值和平均值差距很小，这说明绝大部分数据都在平均值上，那个突然偏差很大的数据是突发的，所以它不可能是噪声的影响，唯一可能就是DAC的数字馈通带来的 MF35_ 发表于 2024-7-24 09:16
7175-2立创卖70左右一片，我买了2片放着在，也做了7175的转换板，回头板子到了换上去也试试
ADS12 ...
AD7175-2 俺也烧过一片，现在手里还剩下几片，ADS127L21 还没玩过，如果你这边测试结果好的话，俺也必须整两片体验一下啊！ :lol