深入了解NI PXI 4071 七位半数字万用表架构

的FlexADC是基于商业高速ADC技术和定制的sigma-delta转换器的组合实现的。这个组合为高达七位半的精度和稳定性对线性和噪声进行了优化，还提供了高达1.8 MS/s的数字化采样速率。

图4：FlexADC转换器

图4中的方块图给出了FlexADC如何工作的简化模型。在低速下，电路利用了sigma-delta转换器的优点。反馈DAC是为实现极低的噪声和卓越的线性性而设计的。低通滤波器提供了在所有分辨率下实现高效性能所必须的噪声整型。由于超高精度的1.8 MS/s的调制器提供了极高的分辨率，所以并不需要使用下降电路。1.8 MS/s的调制器与快速采样ADC可以在高速条件下结合在一起，提供了连续采样数字化。数字信号处理器（DSP）提供了实时序列、标定、线性化、交流真实rms计算、抽取以及用于直流函数的加权噪声滤波器。

FlexADC具有以下优点：

• FlexDMM独特的体系结构在七位半分辨率下提供7 S/s直至在四位半分辨率下提供10 kS/s的连续可变读取速率，如图5所示。
• 您可以将FlexADC作为数字化仪以最高1.8 MS/s的采样速率进行工作。
• 由于使用了定制的sigma-delta调制器，噪声定型与数字滤波为数字万用表和数字化仪应用使用进行了优化。
• 与其他ADC转换技术不同，无需将输入信号打开或关闭。因此，您可以实现连续信号采集。
• 您可以实现直接ACV转换和频率响应标定，而无需使用传统的模拟交流Trms转换器和用于平整度修正的模拟“修边器”。
• 通过使用合适的噪声成型算法，您可以大大降低在所有函数中的输入信号噪声（见直流噪声抑止）。
• 在对信号进行数字化之后，您可以用NI LabVIEW软件实现基于主机的高级函数，从而得到几乎没有穷尽的信号特征选项（快速傅立叶变换、计算阻抗、交流峰值系数、峰值、交流平均等等）。

图5：FlexDMM直流读取速率

表2比较了四种ADC的体系结构：

表2：ADC体系结构比较

4. 低噪声、高可靠性的前端体系结构

所有FlexDMM都带有最为稳定的板载参考源。FlexDMM作为电压参考源可以使用能够提供卓越性能的著名的热稳定参考源。这个电压参考源经过热屏蔽，可以提供最佳性能。最后得到的最大参考温度系数小于0.3 ppm/ºC。这个设备的时间稳定性在8 ppm/年这个数量级上。在相同价格范围内的其他数字万用表都无法提供这个参考源及由其所带来的稳定性。这就是FlexDMM提供两年精度保证的原因。

电阻函数是以一个10 kΩ高度稳定的金属丝电阻为参考的，它原来是为要求严格的航天应用而设计的。这个组件的温度系数低于0.8 ppm/ºC，时间稳定性小于25 ppm/年。

固态输入信号调理

在大多数传统数字万用表中的主要测量误差源是电磁继电开关。由于接触感应的热电压偏置可能会导致不稳定和漂移。FlexDMM设备去掉了除了DCV、ACV和电阻回路中的一个继电器之外所有的继电器。在这个继电器中，特殊的继电器接触配置能够抵消热误差。这个继电器只有在自我标定的时候才打开。所有用于函数和范围变换的测量相关的开关都是由低温、高可靠性的固态开关完成的。因此，电磁继电器老化问题能够完全消除。图6显示了最为灵敏范围100 mV范围内，一昼夜的性能漂移。每个分割是500 nV。在相同条件下，使用传统的六位半数字万用表和全机架八位半数字万用表的相同测量结果如图6所示。

图6：带有短路输入的FlexDMM（下）100 mV范围稳定性与传统数字万用表（上）500 nV/分区的比较曲线

线性性

线性性作为数字万用表传递函数“质量”的度量，在转换组件特征应用中十分重要，能够提供相比商用ADC更好的DNL与INL（基本非线性性）性能。FlexADC是为保持DNL和INL的良好线性性而设计的。由于线性性决定了自我标定功能的可重复性，因此十分重要。图7曲线展示了在10 V范围内，从-10 V到+10 V测量得到的典型FlexDMM线性性曲线。

图7：10 VDC范围线性性

5. 自我标定

传统的六位半和七位半数字万用表是在特定温度下标定的，标定是在一定限制的温度范围内完成的，通常为±5 ºC（在某些情形下甚至是±1 ºC）。因此，在数字万用表在这个温度范围之外使用时，由于温度系数的影响，其精度规格也会降低，通常对于每ºC，精度规格大约降低10％。因此，在指定范围之外10 ºC左右，就可能产生指定测量误差两倍的误差，这在需要绝对精度的情形下是个严重的问题。

如果温度变化超出了这些范围，同时还需要严格的误差规格，就需要在新的温度下进行重新标定。举例而言，对于传统七位半数字万用表的10 VDC范围，数字万用表可能具有如下精度：
一年精度：对于温度 = 23±5 ºC（读数24 ppm + 范围 4 ppm）

在这种规格下，如果您在输入施加5 V，得到的误差是：
5 V 的24 ppm + 10 V的4 ppm = 160 µV，在温度范围18至28 ºC

这是一种指定精度的传统方法。如果环境温度超出了18至28 ºC的范围，您就需要使用温度系数（tempco）对精度“降级”。要在18至28 ºC的范围之外得到指定精度的唯一传统方法是对系统在期望温度下进行完全重新标定。当然，这通常是不现实并且昂贵的。在上述例子中，可能由于将大量仪器堆放在一起，但是通风不佳，数字万用表的环境温度是50 ºC，那么温度系数为：
温度系数 = (读数2 ppm +范围1 ppm)/ºC，额外误差为：