精密信號調理對測溫不確定度的影響分析

胡曉敏,童長青,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、醫療、農業、生物培育等行業在進行相關的課題研究時均需根據溫度數據的變化預判相應的研究狀態和推斷試驗結果[1]。因此，高精度測量、高精準控溫成為各相關產品研發中必不可少的設計部分。試驗室用的專業高精度測溫儀多為進口儀器且價格較高，因此設計了一個成本低、結構簡單、精度高的溫度測量方案。該方案易于擴展，可實現多路測溫，可以應用于各相關產品設計中。本文重點介紹了精密信號調理電路的設計及其對系統測量不確定度[2-3]的影響。

在低功耗、低成本設計中，盡量降低系統噪聲至關重要。為了由信號調理電路獲得最低噪聲和最佳性能，必須了解元器件級噪聲源，并在計算模擬前端的總噪聲時充分考慮這些噪聲源。每個傳感器都具有自身的噪聲、阻抗和響應特性。因此，將它們匹配到模擬前端，填補傳感器和高分辨率模數轉換器(analog to digital converter,ADC)之間的空白，是電路結構設計的重要環節。

1 測溫儀系統設計

測溫儀系統基于高精度鉑電阻溫度傳感器[4-5]結合電阻比測量方法和四線制測量[6]原理完成溫度信號的測量。系統包括雙向可調恒流源模塊、開關陣列、測溫電阻模塊、精密信號調理模塊、信號轉換模塊、控制模塊、通信模塊和電源模塊。測溫儀結構如圖1所示。

圖1 測溫儀結構框圖Fig.1 Structure diagram of thermometer

將電阻溫度傳感器置于被測環境中，采集溫度信號，完成環境溫度的測量。在高噪聲環境中與傳感器對接，由于傳感器輸出的電信號通常極為微弱，將輸出信號從噪聲中提取出來的難度較高。信號調理技術(如放大和濾波)有助于提取信號[6-7]，因為這些技術可提升系統的靈敏度。然后對信號進行縮放與轉換，以便充分利用高性能ADC。本文主要介紹測溫系統中精密信號調理對測溫不確定度的影響。

2 高效低噪聲信號處理單元設計

測量噪聲是由電子噪聲和其他隨機誤差造成的，會影響測量準確度。信號處理單元原理如圖2所示。

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

本設計采用兩個完全相同的信號采集調理模塊[8-9]構成并行信號處理單元。每個測量通道有各自獨立的模數轉換器和濾波設計[8]，完成RX和RS信號的同步采集，實現采樣周期為1 s、測量周期為2 s。激勵源同時流過RX和RS， 生成信號并完成同步采集，從而消除激勵源帶來的噪聲[10-11]、雜散熱電勢帶來的誤差、電流源不穩定性和電噪聲的影響。

為進一步減小被測信號中存在的噪聲，采用低通濾波對采集到的信號進行濾波后再進行模數轉換[12]。同時，模數轉換器內可編程的濾波器進一步降低了測量噪聲。為保證測量的精度，模數轉換單元采用了分辨率較高、轉換率高的∑-Δ型ADC。

3 精密信號調理電路設計

精密信號調理電路[8,13]主要由3級組成：放大級、濾波級和驅動級。精密信號調理電路如圖3所示。由于環境噪聲通常表現為共模信號(如電源線噪聲、接地環路)，而差分輸入具備噪聲抑制特性。故：第一級放大功能通過差分前端實現，提供高共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)；第二級使用濾波器；第三級ADC驅動，實現單端至差分的轉換，以及輸出信號的轉換與縮放，并將結果輸入ADC。

圖3 精密信號調理電路Fig.3 Precision signal conditioning circuit

3.1 電路結構分析

低噪聲儀表放大器AD8421實現第一級放大功能，使用單個電阻即可設置不同的增益值。根據前端輸入信號的大小和后級ADC的電特性，本設計配置增益為100。該放大器可讓系統具有124 dB以上的共模抑制能力。輸入端設計一個射頻干擾濾波器(radio frequency interference,RFI)，用來防止高頻噪聲破壞測量結果。

為限制噪聲帶寬并避免混疊，第二級采用單位增益、低噪聲JFET運算放大器AD8510和2極點的Sallen-Key濾波器進行濾波。該濾波器轉折頻率為460 Hz，僅允許目標頻率通過，從而防止后級ADC對混疊頻率進行采樣。放大器為單位增益，濾波器通過電阻分壓實現0.5增益，因此濾波級的總增益為0.5。

第三級選用的AD8475是一款差分ADC驅動器，可實現單端至差分的轉換。本電路中，輸出共模電平是后級ADC基準電壓的一半，可以確保輸入后級ADC的信號具有最大的動態范圍。配置增益為0.4。考慮到上一級的增益，則信號調理電路的總增益為20。輸入范圍為±100 mV。在此增益系數下，將輸入信號放大至ADC的合適范圍內，完成微小信號的采集調理。

3.2 電路輸出噪聲分析

根據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，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.每個放大器折合到輸出的噪聲

表1 精密信號調理電路的總預期噪聲Tab.1 Total expected noise of precision signal conditioning circuit

3.3 系統靈敏度分析

系統靈敏度由電路內部噪聲決定，噪聲分析可用來確定系統的靈敏度。系統選用AD7177作為ADC芯片，在內部增益為1時，ADC噪聲會影響系統噪聲。因此，加上ADC的峰峰值0.4 μVp-p噪聲，則總預期系統噪聲為3.02 μVp-p。

系統靈敏度即系統所能檢測的最小電壓變化，將最大計算噪聲值折合到系統的輸入端。

151 nVp-p

(1)

即當輸入范圍為±100 mV時，系統靈敏度為151 nVp-p。

3.4 有效分辨率分析

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

(2)

通過計算可知，當調理電路配置為上述設計參數時，ADC的有效位數為20.6位。

3.5 共模抑制

靈敏度和分辨率表示系統針對內部噪聲的性能。共模抑制為系統針對外部噪聲的性能品質因數。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為共模電壓對輸出電壓的貢獻。

當增益為100時，AD8421的最小CMRR為124 dB。假設不需要的共模電壓在兩個輸入端均含有10 Vp-p信號，則此時輸出電壓為：

(4)

VOUT=631 μVp-p

(5)

可知AD8421輸出端的共模噪聲為631 μVp-p，經電路衰減至ADC輸入端時共模噪聲為126 μVp-p。設計使用AD7177模數轉換器的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 試驗分析

將改進前后的系統置于同樣的測試環境中進行為期14 d的測試[14]。圖4為系統各測量通道在改進前后的測量不確定度曲線。

圖4 改進前后的測量不確定度曲線Fig.4 The curves of measurement uncertainty before and after improvement

圖4中：曲線2為未加信號調理電路的系統測量不確定度；曲線1為增加信號調理電路后的系統測量不確定度，可以看出增加信號調理電路后系統的測量不確定有所度提高；曲線3為增加信號調理電路前后系統測量不確定度的變化，可以看出測溫不確定度的重復性提高了約0.025～0.05 mK。

5 結論

高效低噪聲信號處理單元實現了信號的同步采集，保證了同一時刻激勵源的一致性，消除了激勵源短期穩定性漂移帶來的測量誤差。三級精密調理電路的設計實現了信號的有效采集。試驗數據結果表明，精密信號調理電路填補了傳感器和高分辨率ADC之間的空白，可高效提取目標信號，從而提高了測量準確度，提升了系統性能。