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)

washu

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：
http://www.crystalradio.cn/thread-289230-1-1.html
http://www.crystalradio.cn/thread-315805-1-1.html



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：非线性校准后的输出值和设定值之间的误差


*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

washu

420102 发表于 2012-9-24 11:38
现在看了看算是明白了，但是还有一点要请教LZ：2片12位的D/A是如何合成1个24位的D/A的，这是什么原理？

这个，电压相加阿，下面这个图的原理你能明白吗？R3+R4（R7+R8）在电路中的作用和原理？

washu

线性测试照片记录，

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

420102

刚刚大概看了看，感觉预制置的精度不是很高，未到6位半。测量的精度还可以，不过数据有点跳，不知LZ可否考虑一下平均算法？

washu

420102 发表于 2012-9-23 11:24
刚刚大概看了看，感觉预制置的精度不是很高，未到6位半。测量的精度还可以，不过数据有点跳，不知LZ可否考虑 ...

预制置？是指图表（视频）中“开环”状态下的电压设定 - 输出值？这个没有必要做得很高的精度，因为这个设计就是依赖于数字闭环来纠正的；所以只要把闭环的精度做好就行了。

至于闭环状态下数字的跳动是正常的，因为不停调整，但这个跳动其实也不大，图表中看来也就是 1ppm 多点。另外其实是有 16 点平均算法的，LTC2400 的噪声达到 1.5uVrms，很大了。

washu

shmu 发表于 2012-9-23 11:28
我搞了个拆机的LM399，有简单的电路吗？想做个基准校正数字万用表。

电路和程序在“历程”链接中有：
http://www.crystalradio.cn/thread-315805-1-1.html

不过 LM399 一类基准本身的电压在一个很大的范围，所以没有额外标准器或高一级万用表的话你是不能来做做成校表用基准的。

washu

shmu 发表于 2012-9-23 16:10
那不是和LM431成一类啦？都是精度不高的器件。

我想您可能理解错了，LM399 相当于把一个稳压二极管比如 1n829 之类的装到一个恒温的小盒子里，并且使用的是亚表齐纳技术，所以 LM399 具有很低的温度系数和很高的稳定度，你可以看一下厂家的手册：


而 LM431 是带隙基准，并且用薄膜电阻修正了电压，但其温度系数和稳定度是很糟糕的，实际上厂家连稳定度指标都没给，温度系数也是含糊其辞（大约 50ppm/度，是 399 的数百倍），但是 LM431 的电压精度绝对比 LM399 高得多，因为 431 是修正型电压基准，而 399 是不修正的。

所以 399 和 431 不管怎么划分都划不到一类去。对基准的划分有几种，

1、是否修正，399 属于非修正基准，其电压范围在 6.9V 正负 0.2V 范围上；431 是修正基准，电压在 2.5V 正负 0.005V 范围上。
2、带隙和齐纳，399 是亚表齐纳，431 是带隙
3、是否恒温，399 是自恒温基准，431 是非恒温基准

顺便说一下，和 TL431 完全相同的基准有 LTC6655 这样的带隙非恒温修正型基准，当然 6655 的电压精度和温度系数远好于 431；LT1236 和 TL431 都是电压修正型，但 1236 是亚表齐纳，因此 1236 又可以和 399 划到一类，不过怎么划，总之 431 和 399 就划不到一起去。

420102

washu 发表于 2012-9-23 13:20
预制置？是指图表（视频）中“开环”状态下的电压设定 - 输出值？这个没有必要做得很高的精度，因为这个设 ...

现在看了看算是明白了，但是还有一点要请教LZ：2片12位的D/A是如何合成1个24位的D/A的，这是什么原理？

ZA-ZA

期待套件，最好带键盘

washu

shmu 发表于 2012-9-24 17:58
我有MC1403，LM431.这两个能做个简单的基准吗？我只有四位半的数字表和三位半的，不知道精度如 ...

杜瓦瓶是很好的保温装置，老式恒温晶振都那样做的，当然现在简单多了（但也有很高级的双槽恒温晶振）。MC1403 和 LM431 的初始化精度不高，无法直接作为校表的基准，建议用 AD588 一类初始化精度达到 0.01% 的基准。

420102

washu 发表于 2012-9-24 18:31
这个，电压相加阿，下面这个图的原理你能明白吗？R3+R4（R7+R8）在电路中的作用和原理？

具体说来是不是这个意思：2个D/A一个管低12位，另一个管高12位，输出按权相加。
最小步进2.5V/4096=0.0006103515625V。
但这样精度到不了6位半吧？