精密信号调理对测温不确定度的影响分析

胡晓敏,童长青,吴雨翠,吴 浩,潘华峰

(上海航天电子有限公司，上海 201800)

0 引言

航天、航空、气象、医疗、农业、生物培育等行业在进行相关的课题研究时均需根据温度数据的变化预判相应的研究状态和推断试验结果[1]。因此，高精度测量、高精准控温成为各相关产品研发中必不可少的设计部分。试验室用的专业高精度测温仪多为进口仪器且价格较高，因此设计了一个成本低、结构简单、精度高的温度测量方案。该方案易于扩展，可实现多路测温，可以应用于各相关产品设计中。本文重点介绍了精密信号调理电路的设计及其对系统测量不确定度[2-3]的影响。

在低功耗、低成本设计中，尽量降低系统噪声至关重要。为了由信号调理电路获得最低噪声和最佳性能，必须了解元器件级噪声源，并在计算模拟前端的总噪声时充分考虑这些噪声源。每个传感器都具有自身的噪声、阻抗和响应特性。因此，将它们匹配到模拟前端，填补传感器和高分辨率模数转换器(analog to digital converter,ADC)之间的空白，是电路结构设计的重要环节。

1 测温仪系统设计

测温仪系统基于高精度铂电阻温度传感器[4-5]结合电阻比测量方法和四线制测量[6]原理完成温度信号的测量。系统包括双向可调恒流源模块、开关阵列、测温电阻模块、精密信号调理模块、信号转换模块、控制模块、通信模块和电源模块。测温仪结构如图1所示。

图1 测温仪结构框图Fig.1 Structure diagram of thermometer

将电阻温度传感器置于被测环境中，采集温度信号，完成环境温度的测量。在高噪声环境中与传感器对接，由于传感器输出的电信号通常极为微弱，将输出信号从噪声中提取出来的难度较高。信号调理技术(如放大和滤波)有助于提取信号[6-7]，因为这些技术可提升系统的灵敏度。然后对信号进行缩放与转换，以便充分利用高性能ADC。本文主要介绍测温系统中精密信号调理对测温不确定度的影响。

2 高效低噪声信号处理单元设计

测量噪声是由电子噪声和其他随机误差造成的，会影响测量准确度。信号处理单元原理如图2所示。

图2 信号处理单元原理框图Fig.2 Structure diagram of signal processing unit

本设计采用两个完全相同的信号采集调理模块[8-9]构成并行信号处理单元。每个测量通道有各自独立的模数转换器和滤波设计[8]，完成RX和RS信号的同步采集，实现采样周期为1 s、测量周期为2 s。激励源同时流过RX和RS， 生成信号并完成同步采集，从而消除激励源带来的噪声[10-11]、杂散热电势带来的误差、电流源不稳定性和电噪声的影响。

为进一步减小被测信号中存在的噪声，采用低通滤波对采集到的信号进行滤波后再进行模数转换[12]。同时，模数转换器内可编程的滤波器进一步降低了测量噪声。为保证测量的精度，模数转换单元采用了分辨率较高、转换率高的∑-Δ型ADC。

3 精密信号调理电路设计

精密信号调理电路[8,13]主要由3级组成：放大级、滤波级和驱动级。精密信号调理电路如图3所示。由于环境噪声通常表现为共模信号(如电源线噪声、接地环路)，而差分输入具备噪声抑制特性。故：第一级放大功能通过差分前端实现，提供高共模抑制比(common mode rejection ratio,CMRR)；第二级使用滤波器；第三级ADC驱动，实现单端至差分的转换，以及输出信号的转换与缩放，并将结果输入ADC。

图3 精密信号调理电路Fig.3 Precision signal conditioning circuit

3.1 电路结构分析

低噪声仪表放大器AD8421实现第一级放大功能，使用单个电阻即可设置不同的增益值。根据前端输入信号的大小和后级ADC的电特性，本设计配置增益为100。该放大器可让系统具有124 dB以上的共模抑制能力。输入端设计一个射频干扰滤波器(radio frequency interference,RFI)，用来防止高频噪声破坏测量结果。

为限制噪声带宽并避免混叠，第二级采用单位增益、低噪声JFET运算放大器AD8510和2极点的Sallen-Key滤波器进行滤波。该滤波器转折频率为460 Hz，仅允许目标频率通过，从而防止后级ADC对混叠频率进行采样。放大器为单位增益，滤波器通过电阻分压实现0.5增益，因此滤波级的总增益为0.5。

第三级选用的AD8475是一款差分ADC驱动器，可实现单端至差分的转换。本电路中，输出共模电平是后级ADC基准电压的一半，可以确保输入后级ADC的信号具有最大的动态范围。配置增益为0.4。考虑到上一级的增益，则信号调理电路的总增益为20。输入范围为±100 mV。在此增益系数下，将输入信号放大至ADC的合适范围内，完成微小信号的采集调理。

3.2 电路输出噪声分析

根据AD8421的电特性曲线可知，其输出噪声随增益的增大而缩小，是折合到输入的总噪声降低。各噪声分量x1,x2,…,xn互不相关，则电路的输出噪声为其平方和的平方根。

注：1.放大器输出到ADC输入的增益；
2.每个放大器折合到输出的噪声

表1 精密信号调理电路的总预期噪声Tab.1 Total expected noise of precision signal conditioning circuit

3.3 系统灵敏度分析

系统灵敏度由电路内部噪声决定，噪声分析可用来确定系统的灵敏度。系统选用AD7177作为ADC芯片，在内部增益为1时，ADC噪声会影响系统噪声。因此，加上ADC的峰峰值0.4 μVp-p噪声，则总预期系统噪声为3.02 μVp-p。

系统灵敏度即系统所能检测的最小电压变化，将最大计算噪声值折合到系统的输入端。

151 nVp-p

(1)

即当输入范围为±100 mV时，系统灵敏度为151 nVp-p。

3.4 有效分辨率分析

通过式(2)计算ADC所能达到的无噪声分辨率(即有效位数)。系统ADC使用双极性输入，故满量程范围为基准电压的两倍。

(2)

通过计算可知，当调理电路配置为上述设计参数时，ADC的有效位数为20.6位。

3.5 共模抑制

灵敏度和分辨率表示系统针对内部噪声的性能。共模抑制为系统针对外部噪声的性能品质因数。电路的共模抑制主要由AD8421确定。

(3)

式中：KCMRR为差分增益与共模增益之比,dB;Adiff为差分增益;VCM为放大器输入端的共模电压;VOUT为共模电压对输出电压的贡献。

当增益为100时，AD8421的最小CMRR为124 dB。假设不需要的共模电压在两个输入端均含有10 Vp-p信号，则此时输出电压为：

(4)

VOUT=631 μVp-p

(5)

可知AD8421输出端的共模噪声为631 μVp-p，经电路衰减至ADC输入端时共模噪声为126 μVp-p。设计使用AD7177模数转换器的Sinc5+ Sinc1滤波器，具有大于129 dB的串模抑制比(normal mode rejection ratio,NMRR)，通过ADC的NMRR衰减至1 nV以下，从而有效抑制了线路噪声。

4 试验分析

将改进前后的系统置于同样的测试环境中进行为期14 d的测试[14]。图4为系统各测量通道在改进前后的测量不确定度曲线。

图4 改进前后的测量不确定度曲线Fig.4 The curves of measurement uncertainty before and after improvement

图4中：曲线2为未加信号调理电路的系统测量不确定度；曲线1为增加信号调理电路后的系统测量不确定度，可以看出增加信号调理电路后系统的测量不确定有所度提高；曲线3为增加信号调理电路前后系统测量不确定度的变化，可以看出测温不确定度的重复性提高了约0.025～0.05 mK。

5 结论

高效低噪声信号处理单元实现了信号的同步采集，保证了同一时刻激励源的一致性，消除了激励源短期稳定性漂移带来的测量误差。三级精密调理电路的设计实现了信号的有效采集。试验数据结果表明，精密信号调理电路填补了传感器和高分辨率ADC之间的空白，可高效提取目标信号，从而提高了测量准确度，提升了系统性能。