精密信號(hào)調(diào)理對(duì)測(cè)溫不確定度的影響分析

胡曉敏,童長(zhǎng)青,吳雨翠,吳 浩,潘華峰

(上海航天電子有限公司，上海 201800)

0 引言

航天、航空、氣象、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、生物培育等行業(yè)在進(jìn)行相關(guān)的課題研究時(shí)均需根據(jù)溫度數(shù)據(jù)的變化預(yù)判相應(yīng)的研究狀態(tài)和推斷試驗(yàn)結(jié)果[1]。因此，高精度測(cè)量、高精準(zhǔn)控溫成為各相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)中必不可少的設(shè)計(jì)部分。試驗(yàn)室用的專業(yè)高精度測(cè)溫儀多為進(jìn)口儀器且價(jià)格較高，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的溫度測(cè)量方案。該方案易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)多路測(cè)溫，可以應(yīng)用于各相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。本文重點(diǎn)介紹了精密信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)及其對(duì)系統(tǒng)測(cè)量不確定度[2-3]的影響。

在低功耗、低成本設(shè)計(jì)中，盡量降低系統(tǒng)噪聲至關(guān)重要。為了由信號(hào)調(diào)理電路獲得最低噪聲和最佳性能，必須了解元器件級(jí)噪聲源，并在計(jì)算模擬前端的總噪聲時(shí)充分考慮這些噪聲源。每個(gè)傳感器都具有自身的噪聲、阻抗和響應(yīng)特性。因此，將它們匹配到模擬前端，填補(bǔ)傳感器和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)之間的空白，是電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

1 測(cè)溫儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)溫儀系統(tǒng)基于高精度鉑電阻溫度傳感器[4-5]結(jié)合電阻比測(cè)量方法和四線制測(cè)量[6]原理完成溫度信號(hào)的測(cè)量。系統(tǒng)包括雙向可調(diào)恒流源模塊、開關(guān)陣列、測(cè)溫電阻模塊、精密信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、通信模塊和電源模塊。測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of thermometer

將電阻溫度傳感器置于被測(cè)環(huán)境中，采集溫度信號(hào)，完成環(huán)境溫度的測(cè)量。在高噪聲環(huán)境中與傳感器對(duì)接，由于傳感器輸出的電信號(hào)通常極為微弱，將輸出信號(hào)從噪聲中提取出來的難度較高。信號(hào)調(diào)理技術(shù)(如放大和濾波)有助于提取信號(hào)[6-7]，因?yàn)檫@些技術(shù)可提升系統(tǒng)的靈敏度。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行縮放與轉(zhuǎn)換，以便充分利用高性能ADC。本文主要介紹測(cè)溫系統(tǒng)中精密信號(hào)調(diào)理對(duì)測(cè)溫不確定度的影響。

2 高效低噪聲信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

測(cè)量噪聲是由電子噪聲和其他隨機(jī)誤差造成的，會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度。信號(hào)處理單元原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理單元原理框圖Fig.2 Structure diagram of signal processing unit

本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)完全相同的信號(hào)采集調(diào)理模塊[8-9]構(gòu)成并行信號(hào)處理單元。每個(gè)測(cè)量通道有各自獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和濾波設(shè)計(jì)[8]，完成RX和RS信號(hào)的同步采集，實(shí)現(xiàn)采樣周期為1 s、測(cè)量周期為2 s。激勵(lì)源同時(shí)流過RX和RS， 生成信號(hào)并完成同步采集，從而消除激勵(lì)源帶來的噪聲[10-11]、雜散熱電勢(shì)帶來的誤差、電流源不穩(wěn)定性和電噪聲的影響。

為進(jìn)一步減小被測(cè)信號(hào)中存在的噪聲，采用低通濾波對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[12]。同時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)可編程的濾波器進(jìn)一步降低了測(cè)量噪聲。為保證測(cè)量的精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元采用了分辨率較高、轉(zhuǎn)換率高的∑-Δ型ADC。

3 精密信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

精密信號(hào)調(diào)理電路[8,13]主要由3級(jí)組成：放大級(jí)、濾波級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)。精密信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。由于環(huán)境噪聲通常表現(xiàn)為共模信號(hào)(如電源線噪聲、接地環(huán)路)，而差分輸入具備噪聲抑制特性。故：第一級(jí)放大功能通過差分前端實(shí)現(xiàn)，提供高共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)；第二級(jí)使用濾波器；第三級(jí)ADC驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單端至差分的轉(zhuǎn)換，以及輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換與縮放，并將結(jié)果輸入ADC。

圖3 精密信號(hào)調(diào)理電路Fig.3 Precision signal conditioning circuit

3.1 電路結(jié)構(gòu)分析

低噪聲儀表放大器AD8421實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大功能，使用單個(gè)電阻即可設(shè)置不同的增益值。根據(jù)前端輸入信號(hào)的大小和后級(jí)ADC的電特性，本設(shè)計(jì)配置增益為100。該放大器可讓系統(tǒng)具有124 dB以上的共模抑制能力。輸入端設(shè)計(jì)一個(gè)射頻干擾濾波器(radio frequency interference,RFI)，用來防止高頻噪聲破壞測(cè)量結(jié)果。

為限制噪聲帶寬并避免混疊，第二級(jí)采用單位增益、低噪聲JFET運(yùn)算放大器AD8510和2極點(diǎn)的Sallen-Key濾波器進(jìn)行濾波。該濾波器轉(zhuǎn)折頻率為460 Hz，僅允許目標(biāo)頻率通過，從而防止后級(jí)ADC對(duì)混疊頻率進(jìn)行采樣。放大器為單位增益，濾波器通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)0.5增益，因此濾波級(jí)的總增益為0.5。

第三級(jí)選用的AD8475是一款差分ADC驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)單端至差分的轉(zhuǎn)換。本電路中，輸出共模電平是后級(jí)ADC基準(zhǔn)電壓的一半，可以確保輸入后級(jí)ADC的信號(hào)具有最大的動(dòng)態(tài)范圍。配置增益為0.4?？紤]到上一級(jí)的增益，則信號(hào)調(diào)理電路的總增益為20。輸入范圍為±100 mV。在此增益系數(shù)下，將輸入信號(hào)放大至ADC的合適范圍內(nèi)，完成微小信號(hào)的采集調(diào)理。

3.2 電路輸出噪聲分析

根據(jù)AD8421的電特性曲線可知，其輸出噪聲隨增益的增大而縮小，是折合到輸入的總噪聲降低。各噪聲分量x1,x2,…,xn互不相關(guān)，則電路的輸出噪聲為其平方和的平方根。

注：1.放大器輸出到ADC輸入的增益；
2.每個(gè)放大器折合到輸出的噪聲

表1 精密信號(hào)調(diào)理電路的總預(yù)期噪聲Tab.1 Total expected noise of precision signal conditioning circuit

3.3 系統(tǒng)靈敏度分析

系統(tǒng)靈敏度由電路內(nèi)部噪聲決定，噪聲分析可用來確定系統(tǒng)的靈敏度。系統(tǒng)選用AD7177作為ADC芯片，在內(nèi)部增益為1時(shí)，ADC噪聲會(huì)影響系統(tǒng)噪聲。因此，加上ADC的峰峰值0.4 μVp-p噪聲，則總預(yù)期系統(tǒng)噪聲為3.02 μVp-p。

系統(tǒng)靈敏度即系統(tǒng)所能檢測(cè)的最小電壓變化，將最大計(jì)算噪聲值折合到系統(tǒng)的輸入端。

151 nVp-p

(1)

即當(dāng)輸入范圍為±100 mV時(shí)，系統(tǒng)靈敏度為151 nVp-p。

3.4 有效分辨率分析

通過式(2)計(jì)算ADC所能達(dá)到的無噪聲分辨率(即有效位數(shù))。系統(tǒng)ADC使用雙極性輸入，故滿量程范圍為基準(zhǔn)電壓的兩倍。

(2)

通過計(jì)算可知，當(dāng)調(diào)理電路配置為上述設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，ADC的有效位數(shù)為20.6位。

3.5 共模抑制

靈敏度和分辨率表示系統(tǒng)針對(duì)內(nèi)部噪聲的性能。共模抑制為系統(tǒng)針對(duì)外部噪聲的性能品質(zhì)因數(shù)。電路的共模抑制主要由AD8421確定。

(3)

式中：KCMRR為差分增益與共模增益之比,dB;Adiff為差分增益;VCM為放大器輸入端的共模電壓;VOUT為共模電壓對(duì)輸出電壓的貢獻(xiàn)。

當(dāng)增益為100時(shí)，AD8421的最小CMRR為124 dB。假設(shè)不需要的共模電壓在兩個(gè)輸入端均含有10 Vp-p信號(hào)，則此時(shí)輸出電壓為：

(4)

VOUT=631 μVp-p

(5)

可知AD8421輸出端的共模噪聲為631 μVp-p，經(jīng)電路衰減至ADC輸入端時(shí)共模噪聲為126 μVp-p。設(shè)計(jì)使用AD7177模數(shù)轉(zhuǎn)換器的Sinc5+ Sinc1濾波器，具有大于129 dB的串模抑制比(normal mode rejection ratio,NMRR)，通過ADC的NMRR衰減至1 nV以下，從而有效抑制了線路噪聲。

4 試驗(yàn)分析

將改進(jìn)前后的系統(tǒng)置于同樣的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行為期14 d的測(cè)試[14]。圖4為系統(tǒng)各測(cè)量通道在改進(jìn)前后的測(cè)量不確定度曲線。

圖4 改進(jìn)前后的測(cè)量不確定度曲線Fig.4 The curves of measurement uncertainty before and after improvement

圖4中：曲線2為未加信號(hào)調(diào)理電路的系統(tǒng)測(cè)量不確定度；曲線1為增加信號(hào)調(diào)理電路后的系統(tǒng)測(cè)量不確定度，可以看出增加信號(hào)調(diào)理電路后系統(tǒng)的測(cè)量不確定有所度提高；曲線3為增加信號(hào)調(diào)理電路前后系統(tǒng)測(cè)量不確定度的變化，可以看出測(cè)溫不確定度的重復(fù)性提高了約0.025～0.05 mK。

5 結(jié)論

高效低噪聲信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的同步采集，保證了同一時(shí)刻激勵(lì)源的一致性，消除了激勵(lì)源短期穩(wěn)定性漂移帶來的測(cè)量誤差。三級(jí)精密調(diào)理電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的有效采集。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，精密信號(hào)調(diào)理電路填補(bǔ)了傳感器和高分辨率ADC之間的空白，可高效提取目標(biāo)信號(hào)，從而提高了測(cè)量準(zhǔn)確度，提升了系統(tǒng)性能。