深入了解NI PXI 4071 七位半数字万用表架构

动”网络将电荷注入降至最低。不幸的是，这个附加的模块会引入额外的复杂度和可能的误差。

尽管存在这些设计上的局限性，双斜坡转换器用于大量数字万用表中，从最常见的工作台或现场服务工具直至高精度、度量学级别的高分辨率数字万用表。与大多数集成A/D技术相同，它们具有提供较好噪声抑止的优点。将积分周期设置为1/PLC（电源线频率）的倍数，可以使A/D抑止线频率噪声——这是我们希望得到的结果。

使用下降ADC技术实现电荷平衡

许多制造商通过使用下降A/D技术实现电荷平衡，克服了双斜坡转换器的电介质吸收和速度问题。这个技术在本质上与双斜坡相似，但是在积分周期中对参考信号施加了量化增量。这通常被称为“调制”。每个增量代表了一定固定数量的最后计数。参阅图2。

图2：电荷平衡转换器方块图

在积分阶段，在图2中用t孔径表示，S1被打开，Vx被施加在R1上，它表示积分斜坡开始。反电流以固定间隔通过开关S2和S3进行施加。这样就可以“平衡”对C1的充电。每次将S5连接到VR的时候，都会产生测量计数。实际上，对于更高分辨率的测量（延长积分次数）而言，大多数计数是在t孔径阶段产生的。在电荷平衡阶段的末尾，和双斜坡转换器的情形一样，将对积分器施加一个精确的参考电流。积分器将逐渐下降直到跨越零点。测量是从在积分阶段中积累的计数计算得到的，通过和在下降阶段积累的计数的加权求和。制造商使用两个或更多的下降参考，这样可以得到更快的下降阶段提高速度，还可以减缓“最终斜坡”得到更高的精度。

尽管您可以利用下降A/D的电荷平衡大大改进积分电容的电介质吸收问题，它还具有双斜坡转换器的性能优点。（实际上，有些双斜坡转换器使用多个下降斜坡。）由于在电荷平衡阶段产生的计数大大降低了任何下降误差，因此大大提高了速度，下降速度也大大加快。然而，由于需要加载和释放积分器，如果您进行多个测量或者对一个信号进行数字化，就会出现显著的死区时间。

这个类型的ADC自从1970年以来就已经投入了商业使用，之后发生了巨大的演变。早期版本使用与电压频率转换器相似的调制器。它们由于频率寄生参数的作用，受到线性问题的影响，因此在转换速度上受到了限制。在1980年中期，这个技术经过改进，包含了“常频率”调制器，该技术直到今天还被广泛使用。这大大提高了这些转换器的最终性能和生产力。

Sigma-Delta转换器技术

Sigma-Delta转换器又称为噪声整形ADC，最早是从电子通信业中发展起来的。现在，这个技术已经被广泛用于作为多家制造商的商业成品A/D构造模块的基础。在过去的十几年中，尽管在这个领域中取得了长足的进步（这是由在音频与电子通信对高动态范围转换不断增长的需求所推动的），大量的研究仍在不断进行中。现在一些模块化数字万用表（PXI、PCI以及VXI）使用sigma-delta ADC作为采集引擎的核心。它们还常常用于对信号进行数字化，用于：

• 动态信号分析（DSA）
• 商业与消费者音频及语音
• 例如振动、张力和温度等物理参数，其中中频数字化就已足够

Sigma-delta转换器的基本方块图如图3所示。

图3：Sigma-Delta转换器方块图

Sigma-delta转换器的基本构造模块是积分器、单比特ADC和DAC（数字模拟转换器）以及数字滤波器。您可以通过将积分器环节与数字滤波器设计组合在一起，完成噪声整形。您有多种方法可以实现这些模块。关于积分器环节、数字滤波器环节以及A/D与D/A转换器比特等等的最佳个数存在不同的意见。但是，基本的工作构造单元仍然是基本相似的。调制器由单比特电荷平衡反馈回路组成，它与之前所描述的相似。由于单比特ADC具有良好的内在精度和单调性，它是得到良好线性性的关键。

使用商业可用的sigma-delta转换器有许多优点：

• 它们能够大致达到线性，并且提供良好的差分线性性（DNL）
• 您可以非常有效地控制信号噪声
• 它们能够进行自我采样和跟踪（无需采样与保持电路）
• 它们通常成本较低

但是，使用高分辨率数字万用表的商业sigma-delta ADC具有一些局限性：

• 由于通过数字滤波器带来的流水线延迟导致的速度限制，特别是在扫描应用中
• 尽管通常是线性、低噪声的，制造商规格会将精度限制为五位半（19比特）
• 调制“基调”可能进入通带中，在高分辨率下导致问题
• 不能很好的控制采样过程中速度-噪声折中、采集时间等

3. NI FlexDMM技术

FlexADC是NI FlexDMM家族（PXI-4072、PXI-4071、PXI-4070以及PCI-4070）的核心。FlexADC提供了需要实现高速高精度测量的噪声、线性、速度和灵活性。在图4中显示