【新春酷学】问题1：如何设计超精密电路？

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qqwintian提问：如何设计超精密电路？
                           比如设计一款0~10V电压发生器，要求分辨率1uV，整机温飘小于1ppm/℃，年飘不大于10ppm。这样的参数。这样的设计，需要什么样子的器件，又需要哪些配套技术？

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xu__changhua 回答：qqwintian网友关心超精密度，我以我的理解提出以下几点看法。
1：现代社会，环境污染很严重，特别是电磁波污染、电力污染已经到了无所不至的地步。
2：电子元器件特别是半导体器件的许多参数受温度的影响很大，克服温度影响的手段很有限，导致制造出的高精度仪表其实精度并不高。
3：其实高精度ADC只是理论上的高分辨率ADC，例如24bit或者31bit，仅仅指的是分辨率而不是精度，且测量时其尾数是在不停的抖动着的。抖动原因既有ADC本身因素，也有因提供的直流电源输出电压的抖动有关。
4：由于温度影响，电子仪器在刚通电时温度较低，通电一会儿仪器内元器件温度变高，测量结果就不准了。我记得我们这儿有个机电实验室，测量金属尺寸，那个工作间要恒温的。即使测量者刚进去测量和待会儿的测量值就发生了变化（因为测量者体温对金属的热胀冷缩产生影响了）。
其实高精度这个问题已经距离模电知识体系较远了，                           

我研发过一块热工压力表，只4位半，如果没有补偿措施，那这块表根本就不能测不能用，得不断地测量环境温度和环境气压对AD转换器测到的传感器输出结果靠软件进行不断地补偿，当然，其实测到的当前温度和当前气压是多少度多少帕或是不是线性的并不重要，要的是分辨率，最后的关键是和高一级标准表在相同环境中对照，使得显示出来的值逼近标准表即可。
从中可以看出，一个实际的产品对放大器和AD转换器的要求并不是精度，而是分辨率。测到多少并不打紧，要紧的是显示器显示多少。
用温度做一次补偿，气压做二次补偿，软件很难做。

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sun_ic回答：关于测量的精度                                ADC的有关参数有时很让人疑惑。平时说的精度等词定义有所不同。wiki上有个比较详细的介绍http://en.wikipedia.org/wiki/Accuracy。accuracy是一个衡量直流参量测量的指标，一般是多次平均的结果，对应到ADC中Gain/Offset error，INL等DC参数。precision是指多次测量下的可重复性的衡量，一般用来做AC或者动态信号测量时使用，对应到ADC的ENOB，SNR等AC参数。
这里的测量如果指的是DC参数的话，那就只用考虑Gain/Offset error，INL等。其中Gain/offset error容易在做电路设计时补偿掉，如果不考虑温度补偿的话，只用考虑这些参数的temperature drift即可。INL是影响测量accuracy的主因。如果不做calibration（每个设备都要单独做补偿）以及不做温度补偿（需要做温度扫描记录测量结果用以补偿），那么在测量范围内最大的INL以及那些DC参数的temperature drift就是设计中要考虑的主要因素了。还有一个办法是把被测动态范围多分几段，用几个ADC去实现。
至于测量的resolution则是主要受bit数的影响，由于DC测量是多次测量结果的平均值，所以INL在这也没太大影响（注意这里指的不是accuracy）
如果不允许多次平均，那么就要考虑到在被测频率下ADC的噪声。这时error free resolution不取决于ADC的bit数而是受噪声的影响。error free resolution可以这么得到 log(Vm / Vnp-p).  log是2为底的对数。Vm是被测的动态范围，Vnp-p是ADC的噪声峰峰值。这就是为什么那些巨高bit数的sigma-delta实际中没法达到其理论值的原意之一。
前边Xu DX讲的补偿（calibration）的确是最常用的有效办法。对于高精度测量，没有补偿的话要么需要耗费不必要的花费，要么就是不可能。      

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daijun回答： 如果万用表标称INL是2ppm，我们要求它的实验极限INL可以达到1ppm，基至0.5ppm。也就是说，要有足够的余量，这样产品合格率也会大幅提升。6位半的表头，一般要求实验INL达到1ppm，例如满量程200万字，INL小于2字，标称INL采用4字或6字。                           
目前能买到的精度最高、线性也好的ADC芯片是TI公司的ADS1281/1282，31位的，前者单通道后者双通道，积分非线性误差典型值是0.6~0.5ppm（最大值为5ppm）
ADS1281，关键是线性不好，典型值尽管不大，但最大值为5ppm，这个就要命了，也就是5位半的水平。
也许在几片IC里能够通过筛选，淘汰线性不好的，但需要精确的测试。
相比之下，34401的线性是2ppm，34420A是0.8ppm，3458A是0.05ppm（均舍去末位不确定度）。
38度里有帖子专门讨论过这个问题。我上面是摘录。                                              

期待大家继续给力讨论！！！