張旺東，姚金城，湯新強(qiáng)，常愛(ài)民

(1.中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電子工程中心，北京 100049)

0 引言

海洋溫度作為重要的海洋水文參數(shù)，在海洋監(jiān)測(cè)、國(guó)防建設(shè)和科學(xué)研究中都具有特別的意義[1]。 因此需要一種能夠?qū)Ｑ鬁囟冗M(jìn)行高精度采集的系統(tǒng)，為海洋研究提供可靠的原始數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的高精度測(cè)溫系統(tǒng)多以鉑電阻作為敏感元件，采用四線制接線方式，可在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的測(cè)量精度[2-4]。相較于鉑電阻而言，熱敏電阻有著電阻溫度系數(shù)大、窄溫區(qū)范圍內(nèi)測(cè)量靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、可用于快速變化溫度的測(cè)量等特點(diǎn)，更適合用于海洋溫度環(huán)境中[5-6]。

在高精度測(cè)溫電路設(shè)計(jì)中，通常采用阻值比率法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，即采用恒流源激勵(lì)的方式在電阻兩端產(chǎn)生電壓信號(hào)，通過(guò)單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)量電阻之間的電壓比來(lái)獲取熱敏電阻阻值。然而受恒流源波動(dòng)的影響，單個(gè)ADC在2次電壓測(cè)量的過(guò)程中流經(jīng)電阻的激勵(lì)電流大小并不完全相等[7-8]，一定程度上限制了系統(tǒng)測(cè)量精度的提升。針對(duì)該問(wèn)題，胡鵬程等采取利用恒溫腔為恒流源保溫的方式來(lái)減小恒流源的波動(dòng)[7]，但該方式需要設(shè)計(jì)額外的恒溫裝置，增加了系統(tǒng)的體積和功耗，難以滿足應(yīng)用中小型化、電池供電的需求。

因此，本文設(shè)計(jì)了基于熱敏電阻器的雙ADC溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙ADC實(shí)現(xiàn)熱敏電阻和參考電阻電壓的同步測(cè)量，有效減小了恒流源波動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，滿足實(shí)際應(yīng)用中小型化、電池供電的要求。

1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于熱敏電阻器的雙ADC高精度溫度采集系統(tǒng)要求可以對(duì)溫度進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，溫度測(cè)量范圍為：-2～35 ℃，測(cè)量誤差小于1 mK。采用自研MF5804型熱敏電阻作為敏感元件，在所測(cè)量溫度范圍內(nèi)阻值為10～80 kΩ，耗散常數(shù)為16 mW/℃，電阻溫度系數(shù)為-4%/℃。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高精度溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)信號(hào)激勵(lì)單元：熱敏電阻與參考電阻以串聯(lián)方式連接。熱敏電阻采用四線制接法，完全消除引線電阻影響；參考電阻采用高精度、低溫漂的金屬箔電阻，確保變溫環(huán)境下測(cè)量的準(zhǔn)確度。恒流源為熱敏電阻和參考電阻提供恒定電流激勵(lì)，將溫度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)改變電流方向：正向時(shí)電流從熱敏電阻流經(jīng)參考電阻，反向時(shí)電流從參考電阻流向熱敏電阻。

熱敏電阻阻值可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Rt為熱敏電阻阻值，Ω；Rref為參考電阻阻值，Ω；URt+、URt-分別為正、反向電流激勵(lì)時(shí)熱敏電阻兩端電壓，V；URref+、URref-分別為正、反向電流激勵(lì)時(shí)參考電阻兩端電壓，V。

(2)精密采集單元：電壓信號(hào)經(jīng)濾波降噪后被ADC采集。2路完全相同的采集單元同步采集熱敏電阻和參考電阻兩端電壓信號(hào)，能夠有效消除恒流源激勵(lì)電流波動(dòng)帶來(lái)的誤差，改變電流方向，每個(gè)電阻被采集2次后取均值以減小雜散電勢(shì)引起的誤差。

(3)控制及處理單元：STM32單片機(jī)完成系統(tǒng)采集工作的時(shí)序控制，通過(guò)SPI接口與ADC進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的讀取。讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送至上位機(jī)或存儲(chǔ)單元。

(4)供電單元：系統(tǒng)采用電池供電，供電單元將電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換為各部分電路提供模擬、數(shù)字電源。采用4層板設(shè)計(jì)方式，不同的模擬、數(shù)字電源在電源層進(jìn)行分割處理，以提高電源質(zhì)量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 雙向恒流源激勵(lì)電路設(shè)計(jì)

恒流源為熱敏電阻和參考電阻提供恒定電流激勵(lì)，考慮到熱敏電阻阻值范圍及自熱效應(yīng)，激勵(lì)電流不能超過(guò)14.1 μA，設(shè)計(jì)值為10 μA。恒流源激勵(lì)電路原理圖如圖2所示。

圖2 恒流源電路原理圖

放大器A1、A2以負(fù)反饋方式組合，A2作為反饋環(huán)節(jié)將定值電阻Rset兩端電壓反饋至A1的反向輸入端，電路穩(wěn)定時(shí)輸出電流可由式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Vin為參考電壓；Rset為電流設(shè)定電阻；G為放大器A2的增益，可通過(guò)設(shè)定R1和R2的值來(lái)調(diào)整，G和R1、R2滿足關(guān)系式G=2R2/R1。

K為電流方向切換開(kāi)關(guān)，K接A時(shí)電流由熱敏電阻流向參考電阻；K接B時(shí)電流由參考電阻流向熱敏電阻。由于本系統(tǒng)為比率測(cè)量方式，對(duì)恒流源的精度、溫漂、輸入偏置電流的要求并不高，因此在選擇器件時(shí)將器件的噪聲性能作為主要的考慮因素[9]。在本系統(tǒng)中，選擇低噪聲、低溫漂的高精度電壓基準(zhǔn)芯片REF6233產(chǎn)生3.3 V電壓作為Vin輸入，總噪聲僅為5 μV；A1選擇精密、零漂移放大器OPA388；A2選擇精密、低噪聲的儀表放大器INA326，其增益設(shè)定電阻R1和R2的阻值分別為200 kΩ、40.2 kΩ，設(shè)定增益≈9.95。電流設(shè)定電阻Rset的阻值為33.2 kΩ。輸出電流Iout為9.99 μA。

恒流源的帶負(fù)載能力由負(fù)載兩端電壓Vload和電流設(shè)定電阻Rset兩端電壓Vset共同決定。正常工作時(shí)，須保證Vload+Vset小于放大器A1的最大輸出電壓，且Vload+Vset/2須小于儀表放大器A2輸入端最大共模電壓。在使用+5 V電源供電時(shí)，可驅(qū)動(dòng)400 kΩ負(fù)載電阻，滿足熱敏電阻驅(qū)動(dòng)要求。

為減小恒流源的波動(dòng)，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，增益設(shè)定電阻R1、R2、電流設(shè)定電阻Rset周圍都留有足夠的空間以保證良好的散熱環(huán)境。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

低噪聲的信號(hào)是保證系統(tǒng)測(cè)溫精度的關(guān)鍵，信號(hào)調(diào)理單元對(duì)前端電壓信號(hào)進(jìn)行濾波降噪處理，其電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

A1為前端放大器，輸入端連接至熱敏電阻兩端，輸出端接一階RC低通濾波器，信號(hào)經(jīng)濾波后送至ADC進(jìn)行采集。放大器A1的作用主要有2點(diǎn)：

(1)將熱敏電阻兩端的差分電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)；

(2)將前端熱敏電阻的較大阻抗變換成較小阻抗。

儀表放大器輸出端連接至一階RC低通濾波器，-3 dB帶寬可由式(3)計(jì)算：

(3)

式中：R1為電阻，Ω；C1為電容，F(xiàn)。

2.3 高精度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

高精度信號(hào)采集單元采用雙ADC實(shí)現(xiàn)熱敏電阻和參考電阻兩端電壓的同步采集。根據(jù)系統(tǒng)溫度采集精度要求及熱敏電阻器阻值范圍，由式(4)可計(jì)算出等效電阻分辨率至少為0.4 Ω，在10 μA的電流激勵(lì)下，等效電壓分辨率為4 μV，則由式(5)可計(jì)算出所需ADC器件的無(wú)噪聲位數(shù)為19.65位。

dR=α·R·dT

(4)

(5)

式中：α為熱敏電阻的靈敏度系數(shù)，-4%/℃；R為熱敏電阻阻值，Ω；T為溫度，K；Vref為ADC器件參考電壓，3.3 V；ΔV為電壓分辨率，V。

本系統(tǒng)選用了32位的Δ∑ADC作為高精度信號(hào)采集器件，其型號(hào)為ADS1263。該ADC由低噪聲CMOS PGA、Δ∑調(diào)制器以及可編程數(shù)字濾波器構(gòu)成。前端CMOS PGA由2個(gè)斬波穩(wěn)定放大器和用于配置增益的電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，輸入端配備有高頻電磁干擾(EMI)濾波器。為確保輸入信號(hào)能被正常采集，輸入端幅值大小需滿足式(6)：

(6)

式中：VAVSS、VAVDD為ADC供電電源，分別為0 V、+5 V；VIN為差模輸入電壓，0.1～0.8 V；G為PGA增益，1～32；VINP、VINN為同相、反相輸入端電壓。

為充分利用ADC器件的轉(zhuǎn)換位數(shù)，設(shè)置PGA增益為4，此時(shí)ADC器件輸入端最大電壓最接近滿量程電壓(即3.3 V參考電壓)。將上述參數(shù)代入式(6)有：

1.2 V＜VINPandVINN＜3.5 V

VINP、VINN實(shí)際值在1.7～3.3 V，滿足上述要求。

ADC內(nèi)部可編程數(shù)字濾波器有2種可選擇的模式：Sinc模式和FIR模式。其中Sinc模式有Sinc1～Sinc4四階可選，數(shù)據(jù)率范圍為2.5～38 400 SPS；FIR模式數(shù)據(jù)率為2.5～20 SPS?？紤]到系統(tǒng)的噪聲性能和數(shù)據(jù)率大小，最終濾波器配置為Sinc4模式、數(shù)據(jù)率為50 SPS。此時(shí)ADC器件的噪聲為96 nV，無(wú)噪聲位數(shù)為21.7位。

高精度信號(hào)采集電路的噪聲性能除受ADC器件自身噪聲影響外，還受參考電壓的噪聲影響[10]。為保證ADC器件呈現(xiàn)出較好的噪聲性能，在選擇參考電壓源時(shí)應(yīng)著重考慮器件的噪聲性能。在系統(tǒng)中，選擇低噪聲、低漂移的LTC6655精密基準(zhǔn)電壓源提供3.3 V參考電壓，噪聲幅值為0.25 ppm。

2.4 系統(tǒng)供電單元

系統(tǒng)供電單元框圖如圖4所示。系統(tǒng)由電池供電，電壓為+6 V。根據(jù)系統(tǒng)各部分電路所需電壓的不同，需通過(guò)電源芯片對(duì)電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用低壓差線性穩(wěn)壓器(low dropout regulator，LDO)作為供電單元。綜合考慮系統(tǒng)各部分電路所需電流大小及電源要求后，選擇具有超低靜態(tài)電流的電源芯片TPS7A24，其靜態(tài)電流為2 μA，最大電流為200 mA。

圖4 系統(tǒng)供電單元

系統(tǒng)供電電源經(jīng)TPS7A24產(chǎn)生3種不同電壓：模擬+5 V、模擬+3.3 V和數(shù)字+3.3 V。其中，模擬+5 V電源為參考電壓及恒流源、精密采集單元模擬部分供電；數(shù)字+3.3 V電源為精密采集單元數(shù)字部分供電；模擬+3.3 V電源為控制及處理單元供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件以MATLAB R2019b APP Designer為設(shè)計(jì)工具，通過(guò)組件布局和行為代碼編寫的方式實(shí)現(xiàn)所需功能，設(shè)計(jì)完成后創(chuàng)建為獨(dú)立桌面APP。上位機(jī)的主要功能是在PC端與系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取、擦除、對(duì)所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、繪圖以及數(shù)據(jù)分析。上位機(jī)主界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面圖

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32L431作為控制核心，其軟件程序采用C語(yǔ)言編寫，開(kāi)發(fā)工具采用Keil μVision5。系統(tǒng)上電后，首先執(zhí)行初始化操作，完成對(duì)控制器工作模式、ADC轉(zhuǎn)換設(shè)置、恒流源方向、通信接口的配置。上述步驟完成后執(zhí)行主程序開(kāi)始測(cè)量，熱敏電阻兩端的電壓信號(hào)經(jīng)濾波、放大后由ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后控制器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并準(zhǔn)備下一次測(cè)量。一次完整的測(cè)量工作包含2個(gè)過(guò)程：恒流源正向采集和反向采集。2次采集過(guò)程結(jié)束后即可計(jì)算出本次測(cè)量結(jié)果。下位機(jī)程序流程圖如圖6所示。

圖6 下位機(jī)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 熱敏電阻阻溫關(guān)系標(biāo)定

為了確保熱敏電阻能夠準(zhǔn)確地測(cè)量溫度，需要對(duì)熱敏電阻的阻溫關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)采用Fluke 1590超級(jí)電阻測(cè)溫儀作為測(cè)量?jī)x器，該儀器為雙通道輸入，可分別接標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)溫度和電阻同時(shí)測(cè)量，其中溫度測(cè)量精度為0.25 mK，電阻測(cè)量精度為30 ppm；采用Fluke 7012校準(zhǔn)浴槽提供恒溫環(huán)境，浴槽中以懸浮方式放置均熱塊，將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和熱敏電阻置于均熱塊孔洞中。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，以1590超級(jí)電阻測(cè)溫儀測(cè)得溫度作為實(shí)際溫度，每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行一段時(shí)間的測(cè)量，同時(shí)記錄測(cè)量過(guò)程中溫度及電阻標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)定溫度點(diǎn)為：-2、0、5、10、…、35 ℃。完成上述溫度點(diǎn)測(cè)量后，采用Hoge方程進(jìn)行擬合[11-12]，方程如式(7)所示：

(7)

式中：T為溫度，K；R為熱敏電阻阻值，Ω；A0～A3為擬合系數(shù)。

表1列出了各點(diǎn)電阻、溫度數(shù)據(jù)及相應(yīng)的擬合誤差，最大擬合誤差為0.3 mK。

表1 電阻-溫度擬合誤差分布

4.2 系統(tǒng)標(biāo)定

為提高系統(tǒng)測(cè)量精度，將固定電阻接入系統(tǒng)，讀取系統(tǒng)測(cè)量值，并將系統(tǒng)測(cè)量值與真實(shí)值進(jìn)行擬合。定值電阻由ZX54型精密直流電阻箱產(chǎn)生，使用前經(jīng)Fluke 8508A高精度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字多用表測(cè)量，以測(cè)量值作為實(shí)際電阻值。系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。在滿量程范圍內(nèi)進(jìn)行分段線性擬合，分段區(qū)間為：10～30 kΩ、30～50 kΩ、50～70 kΩ、70～80 kΩ。采用分段擬合后，分段點(diǎn)處擬合誤差為0 Ω，最大誤差為-0.16 Ω，等效溫度誤差為-0.2 mK。

表2 系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)

4.3 系統(tǒng)準(zhǔn)確度測(cè)試

將標(biāo)定后的熱敏電阻器與系統(tǒng)連接，整體浸沒(méi)在油槽中，熱敏電阻器和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)置于均熱塊的孔洞中，在測(cè)量溫度范圍內(nèi)選取若干溫度點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確度驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行一段時(shí)間測(cè)量，以1590超級(jí)電阻測(cè)溫儀測(cè)量結(jié)果的平均值作為實(shí)際值，同時(shí)記錄測(cè)量過(guò)程溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差。各點(diǎn)實(shí)際溫度值與系統(tǒng)測(cè)量溫度值如表3所示。由表3可知，在所測(cè)量的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)最大測(cè)量誤差為0.4 mK。

表3 各溫度點(diǎn)測(cè)量結(jié)果及誤差分布

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了面向海洋的高精度溫度采集系統(tǒng)。為減小恒流源波動(dòng)產(chǎn)生的誤差，設(shè)計(jì)了雙ADC同步采集電路，實(shí)現(xiàn)了熱敏電阻和參考電阻兩端電壓的同步采集，同時(shí)根據(jù)熱敏電阻及系統(tǒng)采集精度要求，分析了高精度采集電路所需的無(wú)噪聲分辨率位數(shù)。通過(guò)對(duì)熱敏電阻器進(jìn)行分段線性擬合及系統(tǒng)校正，系統(tǒng)誤差被進(jìn)一步減小。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在所設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差最大為0.4 mK，滿足海洋研究中測(cè)溫的需求。