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开关电源下的稳定测量

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wh6ic
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  • 2020-7-10 12:23:41
碰到几次有 抱怨 DCDC、ACDC 电源供电情况下 ADC 采样不佳。
   这里列出俺碰到的两次具体设计中的考虑、措施 和 效果

项目一,2011年 100V ~ 1000V 数字可调精密信号源,只允许输出波动 +/-10mV, 用于相当高大上的 数百万软妹币 级别的测量仪器,当时接到这个项目就傻眼了, 它 NN 的,10ppm !!! 开除俺吧,老板! 老板没有开恩炒俺鱿鱼,只好硬刚。
  输出电压 1000V,必然会用到DCDC,数控部分考虑到设备的散热条件,也使用了DCDC。
  MCU 是老掉牙的 STC51,ADC 外扩,24bit,DAC,16bit,这部分使用5V。 信号处理部分选用 低零漂宽电压精密运放,选用+/-12V。总线供电为安全电压 36Vac,上板使用 R型工频变压器,输出增强绝缘绕组 9Vac、双18Vac(仪器另有10KV高压,安全第一)
  空间受限,没有使用线性电源,整流滤波后使用DCDC芯片 LM2596,得到一组 +5V,一组 +12V,运放电路消耗电流不大,-12V直接在 +12V 2596 开关处使用电容隔离,二极管整流得到,采取了一些想当然的措施,比如LC滤波,第一版PCB惨不忍睹,还没有上 高压电源,DAC输出对地噪声就已经超过 +/-20mV。
  整改,割线、飞线,忙到飞起,终于对地噪声低于1mV,被示波器本底淹没,采取的措施:+/-12V,因为运放电路电流只有十几毫安,没有用LC滤波,大胆使用 RC 滤波,各串 100 欧电阻,并 22uF,同时电源输出升高为 +13.5V,经过电阻,运放电压维持约 +12V,效果很好。 +5V 噪声对输出纹波影响不算大,电流上百毫安,2596 开关频率140KHz,使用4.7uH电感和220uF电容滤波,效果也不错。
改版PCB,上高压电源,电压比较高,只能使用电容隔离观察,输出噪声被示波器本底淹没

项目二,去年,1.0V ~ 4.35V 电池多参测量,要求超低成本达到 0~40°C 绝对精度 0.1%
  1.0V 供电,没有找到合适的低压 MCU,必须使用升压DCDC,输出加两级LC滤波,DCDC开关频率300KHz,输出4.5V,使用 0805 封装的功率层叠电感,参数:2.2uH、350mA、1.5欧,电容为22uF,计算输出纹波低于10uV,懒得试验验证 :-P 。测量信号加上 RC 滤波,470R电阻,10uF电容,两级,计算纹波低于uV,也懒得验证了。使用MCU片内 12bit ADC,没有使用片内0.8%精度的基准源,外扩了一粒 国产的 20ppm温漂 0.4% 431,在0~40°C温漂比较平滑。一次投板,试验成功。上高低温试验箱,六位半表测试,五块样板,0~40°C,24小时精度误差分布 +/-0.055%
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