ADMX3652-便携六位半电压表

adi最近悄悄发布了一个令人惊叹的便携式测量硬件——一个六位半的仪器，真是让人眼前一亮。可惜的是，它并没有开源，未来是否会开源还是个未知数。

六位半的精度表示测量值的第一位仅限于正负号和0/1，称为½位，而其他位数可以显示0到9，称为一位。因此，六位半的数字电压测量模块可以显示从-1999999到1999999的数值范围。对于测量极小的电压值，只需将电压测量模块调至低电压档位，通常可以测到100nV级别的电压信号。

虽然个人DIY的六位半表并不难制作，但存在一个主要问题：长时稳定性不佳。随着时间的推移和温度的变化，测量误差会逐渐增大，而这些商用产品则能够保证长期稳定性。

另一个关键问题是高精度的电压基准和电流源，这些是源表的重要组成部分。

总结一下需要考虑的因素：低噪声、小信号放大、长期稳定性、高精度电压基准、低温漂特性以及良好的上位机。

在引脚电子（PE）中，需要生成激励待测物的信号并获得其反馈，因此需要提供精确的电压信号源；而精密测量单元（PMU）则需要驱动电流流入器件以测量电压，或施加电压以测量由此产生的电流，其生成的电压精度是评估测试设备性能的一个重要方面。

这是ADI官方提供的一个漂移数据，可以看到数据非常好，分辨率达到了nV级别。

ADI的这款产品真是下了大工夫。

接触点都是镀金的，确保了良好的连接。

安装在测量的基座上。

支持双路测量。

这款仪器体积小巧，仅有普通名片大小，具备DMM中的电压测量模式，采用20V、2V和0.2V三档设置，提供1KSPS的数据速率和准确测量，通过UART接口控制，支持SCPI协议。

前端采用带过压保护的高阻抗输入，能够更好地保护电压测量模块，遇到输入电压超出测量范围的情况，如输入电压为30V，DVM虽然无法正常测得准确的电压值，但也不会损坏烧毁DVM。

这些都是宣传内容，接下来让我们看看是否能发现一些设计的蛛丝马迹。

我只找到了这张图，可以看到系统分为三部分：前端的小信号放大，接着是高精度的ADC采集（24bit），还有就是要给ADC一个稳定的基准源，其次就是以一个MCU做中转，这里的温度传感器就是要做温漂的校准计算。

感谢zub的GPT，计算了所需的ADC位数，最低要求。

关于基准源需要考虑的几个方面：

基准源的稳定性：基准电压的稳定性直接影响到ADC的输出。任何基准电压的波动都会直接转化为测量误差。因此，对于高精度应用，需要选择高稳定性的基准电压源，如低温漂和低噪声的基准电压源。

基准源的精度：基准源需要有很高的精度，因为这将直接影响到整个系统的测量精度。基准源的精度应该与ADC的分辨率相匹配。对于20位ADC，即使是非常小的基准电压偏差也会在ADC的输出中放大。

温度系数：理想的基准源应该具有低温度系数，这意味着基准电压随温度变化的程度很小。温度变化引起的电压变化会影响测量精度，特别是在温度波动较大的环境中。

长期稳定性：基准源应该具有良好的长期稳定性，确保随时间的推移变化很小，这对于长期运行的测量系统尤为重要。

噪声水平：基准源的噪声水平也应该非常低，以避免引入额外的测量误差。

ADMX3652还支持自动零点校准（Auto Zero）、工频周期滤波（NPLC）和满量程校正功能，并具备输入端的过压保护，能够在0至45°C的环境条件下正常工作，便于系统集成或适应客户定制的测量系统。

让我们看看如何设计这些功能：

自动零点校准（Auto Zero）

自动零点校准是一种技术，用于消除ADC和系统中的偏移误差。在硬件设计中，这通常通过在ADC的输入端短路（连接到地或零电压参考点），然后进行一次测量来实现。测得的值被用作偏移误差，之后的所有测量都会减去这个值以校正偏移。

电路设计：

切换电路：设计一个切换电路，使得在校准模式下，ADC的输入能够从测量信号切换到地（或低参考电压）。这通常通过模拟开关或多路复用器实现。

控制逻辑：需要一个控制逻辑（可以是微控制器或FPGA）来触发自动零点校准过程。这个逻辑会在特定时刻或根据特定条件（如启动时、定时基础上、或用户请求）切换到零点校准模式。

存储校准值：校准值（即在零点校准模式下ADC的输出）需要存储在非易失性存储器中，以便在正常测量模式下使用这些值进行校正。

也就是说，在没有任何测量之前，进行一次校准，就是短接校准。

工频周期滤波（NPLC）

NPLC代表“Number of Power Line Cycles”。这是一种滤波技术，通过整数倍的电源线周期进行信号采集，以提高测量的稳定性和减少噪声。例如，在50 Hz的电源线频率下，1 PLC就是20毫秒。在硬件设计中，这通常通过同步ADC的采样窗口与电源线周期来实现，确保每次采样都在相同的电源线周期阶段进行，从而减少电源线噪声的影响。

同步电路：设计一种机制来检测工频电源的周期（例如通过监测电源线或使用专门的频率检测电路）。

控制逻辑：控制ADC的采样时间，确保采样在一个或多个完整的工频周期内进行。这可以通过编程ADC的采样率或使用定时器来与电源线周期同步。

积分/平均电路：在一个或多个工频周期内对信号进行积分或平均，以减少周期性噪声的影响。这可以在ADC内部实现，或者在数字域通过软件实现。

具体的就是转空子测量，不完整测量。

满量程校正

满量程校正是指调整ADC的增益，使得ADC的输出能够完全匹配其最大输入电压范围。在硬件设计中，这可以通过在最大输入电压下对ADC进行采样，然后调整增益，直到ADC的输出匹配其最大可能输出值（例如，对于一个n位ADC，最大输出值是2^n - 1）。这有助于确保ADC在整个输入范围内提供最佳的精度和线性度。

实现：

高精度基准电压源：提供一个高精度的基准电压，用于校准过程。这个基准电压应该接近或等于ADC的最大输入电压。

切换电路：设计切换电路以便于在校准模式下将基准电压源接入ADC输入。

控制逻辑：通过控制逻辑在满量程校正模式下捕获ADC的输出，并计算需要的增益或偏移调整。

调整机制：根据满量程校正结果调整ADC的增益或偏移，这可能涉及到数字校准参数的调整或模拟增益元件的调整。

仪表仪器设计确实挺难的。

价格也让人感慨，希望有一天可以开源，这个东西可以学到的东西太多了。