高精度库伦效率仪的硬件架构解析

1. 电流源、采样系统与ADC模块设计

1.1 高精度电流源设计

闭环反馈架构：

• 采用±2 ppm/℃低温漂电阻（Vishay Z201） + 低噪声运放（ADI AD8629）
• 电流稳定性优于±0.01%
  多量程动态切换：
• 继电器（Panasonic JQ1-12V） + MOSFET（Infineon BSC014N06NS）
• 覆盖nA至A级电流

1.2 采样系统设计

电流采样：

• 四线制Kelvin连接 + 120 dB动态范围
• 星型接地拓扑：数字/模拟电路独立分支，磁珠单点连接

电压采样：

• 24位Σ-Δ ADC（ADI AD7177）实现μV级分辨率
• 6阶贝塞尔滤波器抑制高频噪声

1.3 ADC模块设计

同步采样：FPGA触发（Xilinx Zynq-7000），时序偏差<1 ns
数字隔离：磁耦隔离器（ADI ADuM3151）阻隔噪声耦合

2. 温漂补偿与校准机制

2.1 温漂补偿策略

硬件补偿：

• 高精度温度传感器（MAX31875）监测基准电压源/运放/ADC
• 多点测温构建热场模型
  软件补偿：
  
  
  
  动态多项式拟合公式（α、β为拟合系数，ΔT为温度变化量）

2.2 全自动校准流程

1. 零点校准

   ：输入短路消除偏置

2. 增益校准

   ：标准电阻（Fluke 742A, 0.001%）修正比例误差

3. 非线性校准

   ：分段三次样条插值补偿ADC非线性

3. 电磁屏蔽与低噪声设计

3.1 电磁屏蔽设计

机箱屏蔽：

• 2mm铝合金外壳 + 导电衬垫（CHO-SEAL 6500）
• 屏蔽效能＞60 dB（@1 GHz）
  内部屏蔽：
• μ-metal磁屏蔽罩（透磁率>100,000）抑制低频磁场

3.2 低噪声设计

三级电源滤波：

层级	配置
输入级	π型滤波器（10μH+100μF）
中间级	LDO（TI TPS7A4700）
输出级	RC滤波（1kΩ+10nF）
PCB优化 ：

• 保护环（Guard Ring）吸收漏电流
• Rogers RO4003基板降低高频损耗

4. 精密电子系统架构

核心模块：

• 主控

  ：FPGA（Xilinx Zynq-7000）实时控制 + DSP（TI C6748）数据处理

• 通信

  ：SCPI指令集兼容LabVIEW/Python
  未来趋势：GaN半导体 + AI校准突破0.001%测量极限