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微观尽头——精密信号测量:EmoeMetrology

好久不见！

自打上2篇文章( 微观尽头-精密信号测量:Intro、微观尽头-精密信号测量:理论分析 )发布迄今已有快小半年。半年时间内🐟也一直在学习精密信号测量相关的知识，同时也积累了更多的设计与应用经验。那么，是时候让我们进入下一阶段了！

EmoeMetrology测试

之前我照猫画虎，设计了一块AD7177-2的评估板，经过一些测试后，我发现我的PCB并未能发挥其最佳性能。下面是我的一些测试数据：

输入接上一节锂电池，使用 SINC3 滤波器，同时对其 Sigma-Delta 调制器的抽取率进行编程,使其达到理论上最低的噪声、最高有效分辨率(27.6位),同时也是最低数据速率的工作状态。
每1秒向电脑回传一次数据，采集了十几分钟，得到了如下的曲线:

可以观察到在曲线的开始段，读数幅度有较大的波动起伏，总体呈现下降趋势。在曲线中间段，读数稳定了一段时间，然后又开始有略微起伏波动。

原因分析

我想到的可能的原因如下:

EMI/RFI干扰
高频噪声
低频噪声(1/f噪声)
基准电压源
PCB热设计问题

首先我们可以排除高频噪声影响的可能性;AD7177-2自带的SINC3滤波器频域响应滚降性能优异,具有宽陷波频率,对高频噪声的衰减是非常可观的。

我对其编程的输出速率达到了其最低值,这时的噪声水平理论上只有 0.21uVpp。而根据测试数据的读数跳动来看，跳动值普遍在上万Codes之上，并不符合这一噪声特性。

于是我开始怀疑基准电压源的布局设计问题，但是我拿着5位半万用表戳上去的时候，也没有观察到明显的读数跳动。。。pass。

EMI/RFI问题，我直接给变压器串接了一个艾默生通信电源拆机下来的EMI滤波器，也没有观察到明显的改善迹象。。pass。

低频噪声问题,我为此还在这半年期间专门制作了 噪声放大器(Noise Amplifier),做的还算不错，虽然我做完之后就兴冲冲地去测量别的东西了，反倒忘了测这板子23333

不过我最严重怀疑的是最后一个问题是—— PCB热噪声问题。经过测试,PCB工作约10分钟后,LDO部分有明显的温升,达到了约40-50°C。而模拟前端电路部分也达到了30-40°C左右，并且这部分的温升也传播到了ADC和基准电压源部分,造成了其工作环境温度发生明显变化。如果从这个角度来看的话，输出读数曲线的前部分与这个过程是非常吻合的——刚开始工作时,PCB大部分温度与室温相等，随着工作时间积累,元器件发热量也逐渐积累并在PCB上传播蔓延，最后达到一个相对稳定的状态。

而至于后面的跳动，我猜测是空气流动与空气湿度变化引起的温度波动所致。
(测试时我的板子裸露在空气中，并没有做隔热、恒温等措施)

但是…

虽然工作不是那么的稳定，但是…它真的很牛逼啊！ 稳定的时候，读数连1count都不跳动(Fullscale = 2^32 = 4294967296 Counts)，这……多少有些离谱哦~

这至少说明了我的前端电路工作是正常的:)
所以，后续的改进设计思路也非常清晰了:

可以将板子做大一些，隔绝电源部分发热的影响;
将模拟前端和ADC、基准源放置在同一个恒温腔室内,工作时对其进行加热并恒温在一个高于室温的值(大约40-45°C左右吧),即使电路其他部分有稍微的温升，对信号链上的关键器件也不会造成影响;
将数字部分单独做一PCB,而不采用现行的一体化设计。ADC和模拟前端仅留出SPI通信接口和MUX控制接口,同时可以考虑使用隔离器进行模数隔离;
模块化设计,将基准电压源做成单独的小PCB板,并设计一通用接口,这样可以方便后续更换更高精度、更低温漂、更好的长稳特性的电压基准源(比如LTC6655、LM399、LTZ1000)。

嘶哈嘶哈(来自群友的爱)

非常感谢TT酱的赞助,送给我们几片 LTZ1000 和 LM399A 来支持我们的折腾(。・∀・)ノ

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如何设计精密基准源

打开LTZ1000的数据手册，在 Application Infomation 章节里,有LT注明的设计注意事项;总结如下就是:

规避热电偶 (Seebeck)效应 (核心)
简单来说就是谨慎设计布局,保持LTZ1000的引脚与PCB连接处的热均衡,避免产生温差。
避免空气流动带来的 Drift(漂移)
空气流会导致基准的温度浮动,从而导致输出电压发生Drift。由空气引起的drift在输出端观察,非常像低频1/f噪声(进一步验证了我之前的推测…)。所以设计密闭腔体和恒温室是比较好的选择。
避免 不相干 的热源干扰
当然,任何热源干扰都会影响精密电路的工作点。所以需要尽量隔绝这些影响,还是恒温腔室~ 同时,LTZ1000的布线宽度与长度需要尽可能达到热均衡,最小化温差。
精密电阻选择
当然的,设置工作点和外部运放增益的 精密电阻 也是至关重要的。在这里主要关心电阻的温度系数(Temp Coefficients),因为电阻的温漂也会带来热电偶效应。Vishay的精密薄膜电阻是最佳选择。(当然,非常贵)
设计小PCB板,同时注意发热丝布线
在小PCB板上安装LTZ1000、电阻和运放,同时注意布线:加热丝电流不能流过基准负边的地(Q1的发射极),如果这样布线,公共地路径的存在会让加热丝电流的变化引起基准电压源产生误差。推荐 单点低阻抗接地方法。