高分辨率多斜模数转换器

zhengrob · 发表于 2024-4-30 23:06:17

这是一款多斜模数转换器，从BOM成本上看，除去那3颗（可以减到 2颗）电阻阵列，可以说是成本低廉了。我们先从性能参数和实际测量来认识它一下吧。

性能参数：

积分时间： 20ms
分辨率：28-29 bit
噪声指标：0.85uV RMS（1PLC）
线性度：INL ~0.1ppm (excl. around -300mV)
长短稳：TBD，取决于所选用的电阻

‘it has the advantage of getting a native range of some +-10V or similar’
‘noise wise at the level of the 8.5 digit DMMs, that is comparable to the 3458 or Fluke8858 or the AD7177 ADC chip.’
‘linearity measurements are very promissing, putting it in the 8.5 digit range ’
‘Performance of a DMM with this ADC will be limited mainly by references and frontend. E.g. LM399 is good up to 6.5 digits, selected up to 7.5 digits.’

上边这几句是它的设计者说的原话，你可千万别喷我！

可惜的是，我手上根本就没有一件能标定这些参数的设备。
算上这块ADC板子，我一共有3件‘高’性能的装备，其余2个分别是 Voltgen_V21一件和34401一台。So只能将34401设置到100PLC下的7.5位模式了，虽然慢点，但咱毕竟不赶火车啊！

把待测ADC和34401一并接在Voltgen的输出端上，让Voltgen分别输出从10V到1V，100mV，1mV，100uV，10uV和0V的电压，对比34401读数和ADC读数，下边就是上图片了（图中大数字是34401测量值，100PLC；小窗口框中是多斜ADC测量值，10PLC）：

刚才忘了说了，目前这块板子上的几颗关键电阻，只是用了稍加筛选的10ppm电阻，从mouser上定的几颗MORN电阻还在上海海关那卡着呢。（未完，待续）

zhengrob · 发表于 2024-11-12 21:32:38

量子隧道发表于 2024-11-12 17:40
多斜积分我印象应该是至少三十年前，或许四十年前的技术了。ADCDAC最近的大革新应该是sigma delta，模糊了 ...

惠普的3456A发布于70年代末，所以多斜积分ADC作为成熟的方案应用在高位表上的确已经有四十多年的历史。虽然历史足够长，但这个技术并不过时，因为当前主流的8.5位DMM，HAK3458A，FLUKE8508A以及Advantest6581，7位半的KS34470A，DMM7510和绝大多数6位半DMM仍然采用多斜积分的技术。尤其在8.5位和7.5位商用DMM上还没有见到采用sigma-delta和SAR ADC的方案被广泛应用（不要提HPM7177，不是真正的商用机器）。sigma-delta和SAR ADC的优势是速度快，分辨率可以做得较高，但短板是其INL仍然不能与多斜积分ADC相提并论。一颗sigma-delta 芯片，如果其INL只能做到1ppm，那意味着对于10V的量程，其非线性误差就有10uV，那么就算它有28bit或者30bit的高分辨率都显得意义并不重大。最新的AD4630-24尽管其规格书说INL典型值为0.1ppm，但是max 0.9ppm的指标让人仍然不敢将其与3458A放在同一类别中。要知道，1988年发布的HP3458A其INL 最大值仅为0.1ppm，而实际测量的INL基本都小于0.02ppm。对于8.5位这样的高位DMM，测得准比测得快更具有实际需要，所以目前的sigma-delta和SAR 并不适用这个应用领域。

zhengrob · 发表于 2024-5-1 16:59:39

longshort 发表于 2024-5-1 09:53
100PLC俺還沒用過涅，趕明兒也試試。

34401的积分ADC与34420的电路是一模一样的，都是OP27+AD711+ASIC+80C196的结构。但34420可是标准的7位半表，所以34401支持7位半是没问题的，但是10PLC的话跳得还是多了些，100PLC就很稳了。

scoopydoo · 发表于 2024-5-1 00:34:12

参考的是 EEVBlog 上面那个长贴子吧，俺没仔细看过，作者给出完整的设计了吗？

https://www.eevblog.com/forum/me ... ti-slope-converter/

longshort · 发表于 2024-5-1 09:53:20

100PLC俺還沒用過涅，趕明兒也試試。

zhengrob · 发表于 2024-5-1 11:49:43

scoopydoo 发表于 2024-5-1 00:34
参考的是 EEVBlog 上面那个长贴子吧，俺没仔细看过，作者给出完整的设计了吗？

https://www.eevblog.com ...

一下子就引来了scoopydoo坛友

的关注，这有必然性。前些天，回看我的AD7175的帖子，看到坛友scoopydoo贴的eevblog上的一个链接，是关于Hioki的DM7276的评测的帖子就点进去看了一下，发现eevblog里的讨论氛围很是不一般，平和而深邃的那种感觉。就在Metrology子栏目下浏览帖子目录，大约在翻了十几页后，就发现了这个帖子：

https://www.eevblog.com/forum/me ... ti-slope-converter/

本帖所说的多斜ADC就是这位 Kleinstein大神和其他几位牛人在这个帖子里历时4年打磨出来的一件作品。其实时间还应该再往前推2年，Kleinstein在2017年底就在构思DIY一款多斜积分ADC甚至是DVM了，参见上边链接内第一个帖子的链接：

https://www.eevblog.com/forum/projects/multislope-design/

可以说我们见到的这个设计历经5,6年的构思，验证和调试。

大神们将设计文件放在了这个地方：

https://github.com/Multi-slope-ADC?tab=repositories

（未完，待续）

scoopydoo · 发表于 2024-5-1 16:01:28

zhengrob 发表于 2024-5-1 11:49
一下子就引来了scoopydoo坛友的关注，这有必然性。前些天，回看我的AD7175的帖子，看到坛友scoopydo ...

EEVBlog 上汇集了世界各地的工程师，还经常有各大厂商的人出没，可以说高手云集、神贴也很多。

不过俺现在年纪大了，又是英文论坛，做不到一目十行，看那些几十上百页的帖子很吃力啊，经常就是看个大概、有个印象而已

limbare · 发表于 2024-5-1 16:50:59

“that is comparable to the 3458 or Fluke8858 or the AD7177 ADC chip”
============
AD7177杀死游戏。

zhengrob · 发表于 2024-5-1 17:24:14

limbare 发表于 2024-5-1 16:50
“that is comparable to the 3458 or Fluke8858 or the AD7177 ADC chip”
============
AD7177杀死游戏 ...

关于这一点Kleinstein在帖子里有讲到：

“Some modern ready made ADC chips ( AD7177, AD4630, LTC2500-32) got impressive performance, both from the noise and also the INL. These chips are still expensive and need special drivers and a 2.5-5 V reference (the usualy high end references are 6.6-7 V). So even a ready made ADC chip would need some critical circuit around it (ref. divider and buffer, maybe input divider, input driver).”

使用这些ADC芯片，周边电路和器件付出的成本也是相当不低的。

下边是HPM7177的ADC部分3D图，据说那2个定制的DIP的金封电阻价格都在千元美刀水准上，AD7177成本倒可以忽略不计了：

slsdz · 发表于 2024-5-1 17:52:23

34410A比01A 100PLC 快的多

limbare · 发表于 2024-5-2 21:13:09

zhengrob 发表于 2024-5-1 17:24
关于这一点Kleinstein在帖子里有讲到：

“Some modern ready made ADC chips ( AD7177, AD4630, LTC2 ...

感谢回复。

目前看来，绝大多数模拟器件都在转向cmos工艺，AD7177是低电压cmos器件，未来随着串联mos器件的进步，替代深埋齐纳是迟早的事。

深埋齐纳最大的优势是工艺，哪怕2dw232和1n829的工艺简直不要太简单，但是性能也能做到六位半。

但是除了工艺，深埋齐纳哪哪都是问题，电压太高、静态电流太大、温度补偿有不确定性，需要泡恒温槽的器件，是很难做成手持设备的。只是六位半也好八位半也好其实是个小市场，生厂商开发新产品的动力也没那么大。如果手机里需要六位半级别的基准电压，替代ltz1000的mos恒流基准早就开发出来了。

我手头攒的几枚ltz1000，一直没动力做基准，就是这个原因。诸如R-2R DAC、sigma-delta ADC ，其原理上就很优雅。但是齐纳基准，真的是一点都不优雅。单纯从科学和美学的角度不考虑实用性的话，我甚至更喜欢 Weston 电池。

国内外几位大师级的模拟专家，我非常佩服，也从他们发表的资料里学到很多东西，但是在有些问题上我并不完全赞成，譬如箔电阻替代绕线，在我看来就是劣币驱逐良币的代表。

再次感谢讨论。

zhengrob · 发表于 2024-5-2 22:21:11

limbare 发表于 2024-5-2 21:13
感谢回复。

目前看来，绝大多数模拟器件都在转向cmos工艺，AD7177是低电压cmos器件，未来随着串联mos ...

电压基准和精密电阻，我之前了解不多，也直到最近才有所接触。但是我发现这两种器件在模拟电路中确实是高高在上的吞金大户

！

zhengrob · 发表于 2024-5-2 23:44:03

zhengrob 发表于 2024-5-1 11:49
一下子就引来了scoopydoo坛友的关注，这有必然性。前些天，回看我的AD7175的帖子，看到坛友scoopydo ...

简单聊一聊这个多斜积分ADC的电路设计。

在上边github中有KICAD的原理图和PCB原始文件，此PCB设计出自Rerouter，也是eevblog上的“Super contributor”级别的资深坛友。初一看这个电路原理图还是有些复杂因为元器件还是不算少的。其实不然，因为在此图中有5-6颗IC是根本就没用到的，它们之所以出现在原理图上只是当初Kleinstein设想有可能会用到它们或者测试时会用到，所以在设计之初就把它们‘预留在’电路上了，而实际上，一直到最后测试完成，这些器件也没有被使用。

这些没被用到的器件有U10（LM393），U202（MCP4921），U16（LTC2057），U21（OP07）和U20(DG419)等。它们根本就不需要贴上PCB上。如果把这些元件去掉，再来看这个原理图，就很简单明了了，看起来是这样子的：

High Resolution Multislope converter-modified rev 2_Actual_Version_1.rar (641.66 KB, 下载次数: 277)

其中的多斜积分转换器的核心电路就是这一部分：

其中U11（OPA145)， U2 (OPA172）和C11（2.2nF C0G）构成了典型的2OP积分放大电路。U4（NE5532）是斜坡放大器，U13A（MCP6002）则是残余电荷放大器。而U5（LV4053）/RN202/RN203则是负责切换+Vref，-Vref和Vin通过精密电阻分别进入到积分器中。

其中U5，U11和U2的结构与34401的积分器硬件结构除了元器件选型不同，基本是一样的。而U4和U13A则是为了信号进入Atmega单片机之前所做的必要的信号调理，这一部分是与34401不一样的。

有两个信号会送入Atmega单片机中做信号处理，一个是AIN0信号接在了单片机内的比较器输入端，另一个接在单片机ADC0上分别检测一个积分周期开始前和结束后积分电容上的残余电压。其实还有一个ADC1是被激活的，但在程序中将采集的信号直接丢掉了并未采用。

为了满足精确时序要求ATmega48程序采用汇编语言编写，其实只要对照编程手册（指令就2页纸），你很快会发现汇编程序并不是那么难读。本程序只用到了ADC，定时器，比较器和USART，连中断都没有采用。

在原作帖子中，很多人提醒Kleinstein用可编程逻辑器件可更好地实现程序编写。但Kleinstein不这样认为，他说时序逻辑的实现上确实是这样，但是还需要一个ADC读取起始残余电荷电压以提供额外的8-9bit的分辨率，那就意味着要么需要在可编程逻辑器件实现一个10位的ADC，要么还得再加一片MCU。与其这样，在一片MCU上把它们都实现难道不是最好的选择吗？何况，AVR单片机还有一个比较器，这样一来，逻辑部分确实大大简化了。但是，显然这需要更高的编程技巧来实现。

顺便提一下，Kleinstein也成功的把这段代码在STM32上实现了，并在Reply #391帖子中将原理图和C语言代码附件完整贴出。

关于电压基准，基于LM399除了生成7V基准电压，还产生一个Vref+和一个Vref-电压，与其他多斜积分电路不同的是，这两个参考电压并不是对称的，一个+14V，一个是-13.4V，这也是Kleinstein的设计与其他方案的显著不同之处（另一个显著的不同是通过ADC读2次剩余电荷电压）。而伴随这2个不同点，一个完全不一样的多斜坡的控制策略也就在这套硬件电路上产生了。

（未完，待续）

补充内容 (2024-5-4 20:48):
作者原贴中STM32版的原理图和C代码是在#478楼帖子中，以上书写有误。

dirtyacc · 发表于 2024-5-2 23:52:36

scoopydoo 发表于 2024-5-1 16:01
EEVBlog 上汇集了世界各地的工程师，还经常有各大厂商的人出没，可以说高手云集、神贴也很多。

不过俺 ...

没水平的水贴也很多。前段时间我收个了个信号发生器，就是那种性能一般，但是made in China，性价比爆棚的爆款那类，接近80页的讨论，相当多是无效回复，又有很多是很歪的hack，还有很多是因为那个dds电源太辣鸡的psu 重做或者改做。我看了两个晚上才看完，收获了了

lg676041036 · 发表于 2024-5-3 11:13:39

zhengrob 发表于 2024-5-2 23:44
简单聊一聊这个多斜积分ADC的电路设计。

在上边github中有KICAD的原理图和PCB原始文件，此PCB设计出自 ...

大佬能不能讲讲控制时序原理

scoopydoo · 发表于 2024-5-3 23:46:28

本帖最后由 scoopydoo 于 2024-5-4 00:31 编辑

zhengrob 发表于 2024-5-2 23:44
简单聊一聊这个多斜积分ADC的电路设计。

在上边github中有KICAD的原理图和PCB原始文件，此PCB设计出自 ...

分析的很仔细、写的很有耐心！

有一处笔误，U4 应该是 NE5534 不是 NE5532

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