ADCMT 新品超低噪聲硬件架構工作原理深度解析

時間：2026/6/25閱讀：141

一、整體信號鏈概覽

ADCMT 精密儀器的超低噪聲性能來自五級硬件協同設計：

輸入端子 → EMI/RFI 差分濾波與保護 → 高阻抗模擬前端（AFE）量程切換/緩沖 → 多斜率積分式 A/D 轉換器（或 Σ-Δ + 過采樣） → 超低低溫漂移精密基準電壓源

每一級專門針對不同類型噪聲（熱噪聲、1/f 噪聲、電源紋波、時鐘抖動、工頻耦合）進行抑制。

高壓量程通過多顆串聯 Caddock 薄膜高壓電阻（總阻值 10 MΩ）進行分壓衰減，將千伏級輸入降至 ADC 可接受范圍，同時限制最大輸入電流，起雙重保護作用。
輸入級配置 R-C-R 共模+差模 π 型低通濾波器（截止頻率通常數十 kHz 以下），專門濾除高于 Nyquist 頻段的 RFI/EMI，防止高頻干擾混疊進入積分窗口造成讀數偏移。
電流測量通道串聯低 TC（溫度系數）精密取樣電阻（Shunt），并在前后級加入繼電器隔離與 TVS 保護，避免浪涌損壞高阻抗輸入級。

緩沖級：采用 JFET/CMOS 輸入級零漂移（Auto-zero/Chopper-stabilized）儀表放大器或運放，輸入偏置電流低至 pA 級，輸入阻抗（>10 GΩ），避免因吸取被測電路電流引入負載誤差及附加噪聲。
量程切換：通過低接觸電勢干簧繼電器或低熱電勢舌簧繼電器切換不同增益/衰減網絡，繼電器線圈驅動與信號通路物理隔離，消除線圈磁場耦合噪聲。
熱電動勢（Thermal EMF）抑制：信號通路選用低 Seebeck 系數材料，PCB 布局保證對稱熱分布；硬件配合四線電阻測量時的正向/反向平均算法，在數字域抵消輸入回路殘余熱電勢。
Guard/Shield 驅動（微電流/高阻模式）：5450 系列及 SMU 四線檢測時，Guard 端輸出與輸入同電位緩沖電壓，將輸入端屏蔽層驅動至與 Hi 端等電位，消除泄露電流與電纜絕緣電阻引入的噪聲。

ADCMT 6?位及以上 DMM 采用多斜率積分式 ADC 而非普通 Σ-Δ，核心優勢是天然對工頻干擾免疫且本底噪聲極低：

積分階段（Run-up）：對被測電壓在固定閘門時間（通常 1 PLC = 20 ms 或 16.67 ms 對應工頻周期整數倍）內進行模擬積分。整數倍工頻周期積分使 50/60 Hz 及其諧波的積分面積為零——這是抑制工頻常態噪聲與共模噪聲的根本機制。
退積分階段（Run-down）：用內部反極性基準源向反方向積分至零，退積分時間與被測電壓成正比，用高精度時鐘計數器計時，將模擬量轉為數字量。
多斜率技術：通過動態調整退積分斜率（快斜/慢斜切換）縮短大信號下的退積分時間，兼顧高速與高分辨率，同時在小信號時延長積分時間降低量化噪聲密度。
過采樣與數字濾波（7451A/7461A 可變積分模式）：允許設定更長短積分時間或更高過采樣率，噪聲隨 √N 下降，數字低通濾波器進一步壓制帶外量化噪聲。

相比 Σ-Δ，多斜率積分 ADC 的 1/f 噪聲更低、線性度更優，適合計量級 DC 測量。

內置深埋齊納二極管（Buried Zener）或經過篩選的帶隙基準，工作于恒溫（ oven-controlled 或高穩定性偏置）條件下，溫漂低至 ±0.5 ppm/℃ 甚至更低。
基準源經多級 RC 濾波與低噪聲運放緩沖后供給積分比較器和退積分 DAC，避免電源紋波及基準自身閃爍噪聲影響積分斜率。
7481/7470 支持內部 Self-Cal 功能，利用內置存儲的修正系數對基準老化及溫漂做實時補償，年穩定度可達 ±5 ppm（DCV）。

線性串聯穩壓 + 本地反饋：電壓/電流源輸出級采用低噪聲線性穩壓而非開關電源，從根源削減輸出紋波；輸出電流/電壓經 Force/Sense 四線采樣送回誤差放大器做閉環校正，消除引線壓降引入的測量誤差。
源/吸（Source/Sink）雙極性輸出：支持四象限工作，輸出噪聲典型 <100 μVp-p（DC~100 Hz），穩定性優于 ±5 ppm/24 h。
可編程積分時間 & 可變 Slew Rate：6253/6254 新增可變積分（Variable Integration）與可調壓擺率（Slew Rate 10 V/s ~ 99.99 kV/s），可在高速掃描與低噪聲穩態間權衡，減小源切換瞬態對測量端的干擾。