应用于MTS的多点测温系统设计

吴岳洋,覃方君,李冬毅,黄春福

(海军工程大学电气工程学院,湖北武汉 430033)

0 引言

在原子干涉精密测量领域,激光稳频是实现原子冷却与囚禁的关键技术,其稳定的出射光也可作为其他频率光的参照。通常以原子跃迁频率作为激光稳频的参考频率,对应稳频技术主要有饱和吸收光谱稳频(SAS)[1]、调制转移光谱稳频(MTS)[2]、偏振光谱稳频(PS)[3]和磁致二色性稳频(DAVLL)[4]等。其中,MTS的调制转移严格发生在多普勒速度为零的原子群,从本质上消除了鉴频信号的多普勒背景[5],拥有高灵敏度、高分辨率、可长期连续锁定等优点,是当前较为主流的稳频方法。

在MTS中,半导体激光器(LD)的阈值电流和中心波长会随温度变化而改变[6],导致频率长漂而脱锁[7],对应温调率一般为10 GHz/℃量级。为确保LD出射光的稳定性,通常将其工作温度稳定在室温附近,并保持其波动范围在0.05 ℃内[8-10]。同时,温度也会影响铷泡(RB)中饱和原子蒸汽密度[11]和谱线线宽[12],改变MTS信号幅值和斜率,从而影响锁频精度。为获得较好的铷原子吸收谱线,通常将RB工作温度设定在20～70 ℃[13-14],并保证其波动范围在0.1 ℃内[15-16]。此外,电光调制器(EOM)的晶体双折射率会因温度效应发生改变,引入剩余幅度调制造成锁频点漂移[17],对应温调率一般为kHz/℃量级[18]。为保证锁频的长期稳定性,通常将EOM温度稳定在室温附近,并确保其稳态误差在0.05 ℃内[19]。

为获得更好的锁频效果,需同时对LD、RB和EOM温度进行实时监测。因此,设计了测温范围10～80 ℃的多点温度采集存储系统。通过对实测结果分析,该系统在测温范围内的测温误差在0.02 ℃内。

1 系统总体设计

图1为多点测温系统结构框图。该系统由温压转换、信号调理、采集传输和监测存储模块构成。系统工作原理为:将三线制铂电阻PT1000接入由基准电压源激励的电桥电路,使LD、EOM和RB的温度变化转换成电压变化,并经过抗射频干扰(RFI)滤波器后送至仪表放大器。同步采样ADC将信号调理电路输送的电压值转换为数字量,并由FPGA将电压值经由串口发送至上位机。然后通过LabVIEW转换为温度,进行显示和存储。

图1 多点测温系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 PT1000测温原理

该系统采用1/3DIN B级铂电阻PT1000,其阻值会随温度近似线性变化,它在测温范围-50～200 ℃内的标准温度变化率约为3.851 Ω/℃。在实验测温范围10～80 ℃内,铂电阻阻值随温度的变化关系为

Rpt=R0·(1+At-Bt2)

(1)

式中:Rpt为PT1000在t℃的阻值,Ω;R0为PT1000在0 ℃的阻值R0=1 kΩ;A、B为分度常数,在温度系数TCR=0.003 851时,A=3.908 3×10-3/℃,

B=5.775×10-7/℃2。

根据PT1000分度表可知实验温度10～80 ℃时,其阻值为1 039.025～1 308.968 Ω。

2.2 温压转换电路

铂电阻测温的接线方式通常有:二线制、三线制和四线制。二线制设计简单,但引线电阻会增大实际测量值[20]。四线制可彻底消除引线电阻影响,但远距离测温时引线成本较高。三线制接法的电路相对简单,且能够有效削弱引线电阻影响。三线制PT1000温压转换电路如图2所示。

图2 三线制PT1000温压转换电路

通过电桥电路将PT1000电阻变化转换成电压变化,必须接入电压相当稳定的基准源。选用B级ADR4550输出+5 V的基准电压,它拥有超低噪声和出色的温度稳定性,输出电压噪声在μV量级,温漂为4 ppm/℃(1 ppm=10-6)。电桥电路输出压差Uab为

(2)

式中r为引线电阻。

流过PT000的电流应低于0.5 mA,避免产生自热效应[21],故电阻R1、R2取10 kΩ。0 ℃时电桥平衡,Rpt=R3=1 kΩ,由式(2)知Uab=0,可消除引线电阻影响。考虑电桥性能,电阻R1、R2、R3均选用精度0.01%、温漂5 ppm/℃的金属箔电阻。将PT1000电阻(1 039.025～1 308.968 Ω)带入式(2),求出Uab最大电压约为124 mV。

2.3 信号调理电路

信号调理电路如图3所示,主要由抗RFI滤波器和仪表放大器AD620组成。AD620会对射频信号整流造成直流失调,而温压转换电路输出微弱直流电压在mV量级,需要滤除RFI来提高测温精度。RFI滤波器由R4、R5、C4、C5、C6组成,对应-3 dB差分带宽和-3 dB共模带宽fCM分别为:

图3 信号调理电路

(3)

(4)

R4、C4和R5、C6构成2个低通共模滤波器,滤除高频RFI信号。电容C5取47 nF,则电容C4、C6至少为其10%,降低元件失配引起的交流共模抑制误差[22]。为保证共模抑制性能,C4、C6均为容差5%、容值1 nF的银云母电容,由式(3)、式(4)可知fDIFF、fCM分别为419 Hz和39.789 kHz。

AD620是低功耗、低成本、高精度的仪表放大器,它的温漂低至0.6 μV/℃,非常适合用于微弱信号的放大[23],通过AD620将Uab调理到AD期望的电压采集范围。增益G与增益电阻RG函数关系为

G=4.94×104/RG+1

(5)

增益电阻RG为精度0.01%、温漂5 ppm/℃、阻值2 kΩ的金属箔电阻。由式(5)可知G=25.7,则信号调理电路输出电压为

Uout=25.7Uab+UREF

(6)

设计中,UREF接地为零,将Uab=124 mV带入式(6),可知Uout最大约为3.19 V。假设PT1000引线电阻为1 Ω,在Multism中对信号调理电路进行仿真测试,仿真结果如图4所示。结果表明,经过信号调理电路的输出电压为3.19 V,与理论分析符合。

图4 信号调理电路仿真图

2.4 采集传输电路

AD7606是高达200 KSPS吞吐率的多路同步采样ADC,它内置抗混叠滤波器和1 MΩ的高输入阻抗,其分辨率为16位,单极性有效分辨率为低15位。温度监测系统仅需3路,这里短接CONVSTA和CONVSTB实现8路同步采样,方便后续提升系统扩展性。RANGE接地说明SIGNAL输入电压最大为5 V,符合设计要求。AD采集电压分辨率为5 V/32 768=0.153 mV/code;测温范围10～80 ℃内电压变化率为3.19 V/80 ℃=40 mV/℃;温度分辨率为(0.153 mV/code)/(40 mV/℃)=0.003 8 ℃/code,理论上可为高精度测温提供保证[24]。采集传输电路如图5所示。

图5 采集传输电路

3 系统软件设计

3.1 下位机设计

该系统下位机以FPGA为核心,根据功能不同划分为AD读取、均值滤波、数值转换和串口发送模块。

(1)AD读取模块:采用状态机控制AD读取,将调理电路输入的3路电压转换为数字量。

(2)均值滤波模块:将采集的多个数字量取平均,降低噪声在有用信号的比重来提高测温精度[25]。

(3)数值转换模块:将二进制电压值转换为ASCII码,并在FPGA中将帧头、数据和帧尾封装后传输到下个模块。

(4)串口发送模块:将电压信息依次发送到上位机。

FPGA控制框图如图6所示。

图6 FPGA控制框图

3.2 上位机设计

监测存储模块以LabVIEW为设计工具,通过VISA功能与下位机建立串口通信。上位机主要对下位机传输的电压信息进行解析,并通过公式节点转换为拟合温度,完成LD、RB和EOM测温数据的波形绘制和存储,方便后续分析处理。其中,左边为LD、RB和EOM的设定测温限值,当温度波动超过该区间时警报灯闪烁。监测存储模块界面如图7所示。

图7 监测存储模块界面

4 实验测试

由于铂电阻、AD转换的非线性和引线电阻等因素都会对测量结果产生影响,需要进行测温校准实验[12,26]。将PT1000和控温仪(相对稳定性<0.01 ℃)的NTC热敏电阻通过铜箔固定在均热板上,并置于恒温箱中。待恒温箱温度稳定后,对每个温度点采集3 min取平均。将控温仪测温结果作为参考温度,采用最小二乘法对AD采集电压进行分段线性拟合,对应方程为

(7)

由温度-电压分段线性拟合曲线(图8)可知,铂电阻阻值与AD采集电压值之间存在较好的线性关系。测温误差曲线如图9所示,可见测温系统在10～80 ℃范围内的测温误差在0.02 ℃内,具有很高的测量精度。

图8 温压拟合曲线

图9 测温误差曲线

对测温系统的3个通道进行重复性测试,CH1～CH3分别为3个通道的150组温度取平均,计算出相应的相对标准偏差(RSD)不到0.017%,说明测温系统的重复性好。多路测温结果如表1所示。

5 结束语

本文基于调制转移光谱稳频的实际需要,以FPGA为核心设计了多路温度采集系统,分析了整体方案和组成环节精度,并进行了电路仿真和标定实验。在硬件选取方面,采用三线制PT1000电桥电路削弱引线电阻对测温结果影响,高精度基准电压源ADR4550、16位高精度并行采样AD7606和仪表放大器AD620确保了多点测温精度。在软件设计方面,FPGA的数字均值滤波和温度-电压分段线性拟合标定的方法可提高测温精度。LabVIEW交互上位机为测温监测、温度数据分析提供了便利。相关试验结果显示:该系统测温精度高、重复性好,能够满足多点温度测量需求,具备一定的工程应用价值。

表1 多路测温结果