呂雪芹，敖振浪，黃宏智

（廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣州 510080）

0 引言

空氣濕度是重要的氣象要素之一。氣象、環(huán)保、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、航天等各行各業(yè)，經(jīng)常需要對環(huán)境的空氣濕度實(shí)施測量與控制。對一般用途來講，測量某個點(diǎn)的空氣濕度一般都采用單個儀器來實(shí)現(xiàn)，但是在某些應(yīng)用領(lǐng)域里需要同時測量多路濕度或者十多路濕度，比如氣象部門，需要對空中垂直方向上的各個高度層的濕度進(jìn)行測量；大型的倉儲場所，需要各個檢測點(diǎn)進(jìn)行濕度檢測，其他日常生活中也很多時候會用到多點(diǎn)甚至幾十個點(diǎn)需要同時測量濕度的情形。假如每個檢測點(diǎn)用單個測量儀器來完成，眾多的檢測點(diǎn)需要組網(wǎng)完成數(shù)據(jù)收集，那么系統(tǒng)就變得相當(dāng)復(fù)雜，同時成本也會按倍數(shù)增加。假如對某一個垂直高度上測量不同高度層的濕度，需要精確計(jì)算各測量點(diǎn)相互之間的濕度差異的話，那么多個單獨(dú)儀器測量的系統(tǒng)誤差就可能影響精準(zhǔn)測量。在普通環(huán)境中，濕度這個參數(shù)是最難準(zhǔn)確測量的，因?yàn)闇y量濕度要比測量溫度復(fù)雜得多，溫度是個獨(dú)立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強(qiáng)、溫度）的影響，隨時可能在變化，因此需要采取同一個測量電路實(shí)現(xiàn)多路甚至十幾路的測量方法才是比較合理的測量方式。采取集成的溫度和濕度傳感器進(jìn)行環(huán)境檢測，通過多路溫度和濕度電路設(shè)計(jì)，每路對應(yīng)一個外部接口，實(shí)現(xiàn)多路同時測量并且具有良好的一致性系統(tǒng)誤差［1］。例如庫房溫濕度檢測需要大面積多點(diǎn)測量，單個儀器組成監(jiān)測網(wǎng)成本比較高，而且每個站點(diǎn)的測量系統(tǒng)誤差不一致會影響監(jiān)測網(wǎng)的質(zhì)量，需要通過多通道測量儀器作為節(jié)點(diǎn)，再采取ZigBee無線通信技術(shù)，形成星型傳輸網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)采集及傳輸，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)測量采集系統(tǒng)，對庫房或者大棚種植等場景實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測和監(jiān)控［2-4］。

在多路測量系統(tǒng)組成方面，通常有多種方法。其中之一，是采用每一通道對應(yīng)一個AD轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字信號以后再通過單片機(jī)或者用戶終端進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和匯總，該方法的電路復(fù)雜，成本相對較高［5］。其中之二，就是將多路濕度通過開關(guān)陣列，單片機(jī)控制開關(guān)陣列進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分時切換各路濕度輸入，在同一個AD轉(zhuǎn)換器上轉(zhuǎn)換，這種方式控制相對比較簡單，成本也相對較低，同時最大的優(yōu)點(diǎn)是各通道的系統(tǒng)誤差一致性比較好?；谶@個原因，本文采用了后者進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個16路濕度測量電路模塊。

1 硬件原理設(shè)計(jì)

對于需要互相對比相互參考的測量電路來說，保證各個通道的測量一致性和測量誤差至關(guān)重要，電路設(shè)計(jì)需要解決幾個關(guān)鍵的技術(shù)問題，一是共用的AD 轉(zhuǎn)換電路；二是AD轉(zhuǎn)換器采取相同的參考電壓基準(zhǔn)；三是模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)導(dǎo)通電阻盡可能小，其次是濕度傳感器電壓型信號需要采取四線制引出，防止電流流過信號輸入線路引起電壓降造成誤差。

1.1 開關(guān)陣列的構(gòu)成

電子模擬開關(guān)的使用范圍十分普遍，廣泛應(yīng)用于各種各樣的電子設(shè)備中，因?yàn)檫@些應(yīng)用系統(tǒng)有很多路信號共用信號處理通道，進(jìn)行通道切換是必不可少的。眾所周知，如果使用繼電器構(gòu)成開關(guān)陣列，則成本相對來說很高，而且轉(zhuǎn)換時間較長，在高速轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用中難以勝任。因模擬開關(guān)具有轉(zhuǎn)換速度快、體積微小、無機(jī)械觸點(diǎn)、功耗低和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，在自動化控制系統(tǒng)中得到十分廣泛的應(yīng)用，目前業(yè)界使用電子模擬開關(guān)為主流解決方案。

模擬開關(guān)的主要功能是完成電路中信號通道的信號切換。實(shí)際上是利用模擬器件特性實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能。通常模擬開關(guān)都是采用MOS管通斷能力作為開關(guān)，其所起作用類似于繼電器開關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)共用一路AD 轉(zhuǎn)換電路，16通道的濕度信號輸入需要一個16通道的開關(guān)陣列進(jìn)行分時切換。電子模擬開關(guān)采用兩片ADG1607八轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)換開關(guān)，這種芯片的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、導(dǎo)通電阻極小和控制靈活等特點(diǎn)。由兩片ADG1607模擬開關(guān)U401和U402組成16通道。U401的S1A-S8A 和U402的S1A-S8A 分別連接濕度信號輸入端（正極）JH1-2至JH16-2；U401的S1B-S8B和U402的S1B-S8B分別連接濕度信號輸入端（負(fù)極）JH1-3至JH16-3；U401的地址控制引腳A0、A1、A2組合8個地址對應(yīng)8路開關(guān)通道，由PF8、PF9、PF10決定，PF11接使能EN 引腳為片選控制信號，決定該芯片是否工作。U402的控制方法類似。U401和U402的組合變成了16路開關(guān)。16路開關(guān)陣列的構(gòu)成如圖1所示。整個16路開關(guān)是通過軟件的時序分別控制從通道1到通道16逐個轉(zhuǎn)換。

圖1 開關(guān)陣列

需要注意的是，這種模擬開關(guān)需要12V 電源供電，如果改用5V 電源，那么它的開關(guān)導(dǎo)通性能會嚴(yán)重變差，所以強(qiáng)烈建議使用12V 電源供電［6］。

在本設(shè)計(jì)應(yīng)用中，要求至少每一分鐘60 個循環(huán)周期（每個周期切換16通道。）也就是說每一分鐘每通道采集數(shù)據(jù)60次以上，這種響應(yīng)速度要求對于模擬開關(guān)來說能夠完全滿足。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

濕度傳感器通常使用濕敏電容作為敏感器件，輸出電壓信號，一般輸出的電壓信號為0～1V。要把模擬信號變成數(shù)字信號，本設(shè)計(jì)采用了AD7792模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它具有3個通道，內(nèi)置基準(zhǔn)源，內(nèi)置一個低噪聲的16位／24位∑-Δ 型ADC，有3個差分模擬輸入端口，前端還有片內(nèi)低噪聲儀表放大器，可直接輸入放大微小信號，當(dāng)信號通道的增益設(shè)置為64、數(shù)據(jù)更新速率為4.17Hz時，其均方根（RMS）噪聲為40NV左右。非常適合于高精度測量的應(yīng)用中。

AD7792的使用相對比較簡單，電路構(gòu)成如圖2所示。U411的AD7792通信接口使用三線SPI方式，CS是片選信號控制線，通常連接MCU，當(dāng)MCU 引腳輸出低電平時，則MCU 可以與AD7792 進(jìn)行通信，由于本設(shè)計(jì)只有一片AD7792，所以CS可以直接接地，MCU 任何時候均可與之通信。硬件上AD7792 的時鐘信號線SCLK 與MCU 的ADC＿CLCK＿2連接，MCU 送出時鐘信號與AD7792 同步。DIN 等同于SPI總線MOSI信號，即MCU 作為主機(jī)輸出，AD7792作為從機(jī)輸入，由MCU 的ADC＿DIN＿2引腳控制。DOUT 等同于SPI總線MISO 信號，即AD7792作為從機(jī)輸出，MCU 作為主機(jī)輸入，由MCU 的ADC＿DOUT＿2引腳操作。三線SPI按照規(guī)定時序設(shè)置寄存器或者讀取AD數(shù)據(jù)。

圖2 AD 轉(zhuǎn)換電路

AD7792需要一個基準(zhǔn)參考電壓，這里由一個高精度、低噪聲和低漂移的電壓基準(zhǔn)芯片U412（ADR395）提供＋5 V，接至U411的REF（＋）引腳，與對地（即REF（-）引腳）構(gòu)成5 V 參考電壓。同時作為AD7792 的電源AVDD，這是為了提供一個非常穩(wěn)定的電源來確保AD 轉(zhuǎn)換精度。C409是高頻濾波電容，必不可少的，濾掉干擾信號對AD的影響，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在PCB 制板的時候特別要注意，這個電容要安裝在緊靠著U412的pin4位置才有最好的濾波效果。

AD7792的模擬輸入是電壓型差分共模輸入，電壓信號正極接AIN1（＋）引腳，電壓信號負(fù)極接AIN1（-）引腳，通常在傳感器的輸出電壓負(fù)極為接地GND 端，相當(dāng)于AD7792電壓信號負(fù)極接AIN1（-）引腳接地。

連接在模擬輸入端的C401、C402、C403、R401、R402、R403這六個元件組成平衡輸入電路，RC 電路的時間常數(shù)很小，能夠比較好地濾除信號高頻毛刺，特別是模擬開關(guān)切換的瞬間產(chǎn)生的干擾尖峰毛刺［7-8］。

對于本設(shè)計(jì)的濕度傳感器電壓信號來說，送到圖2中VDB端實(shí)際上是接地的，所以對于VDA 端來說，VDA 端對地的濾波電路則由（C401＋C403）與R402構(gòu)成，并決定它的時間常數(shù)，t＝RC＝10＊1000＊（470＋470）＊10-12＝9.4（μs）。這個時間常數(shù)只有9.4微秒，因此能夠?yàn)V掉高頻干擾信號。但必須注意，正因?yàn)橛辛诉@個濾波電路，每一個通道切換的時候就需要一定的等待穩(wěn)定時間，也就是說每個通道轉(zhuǎn)換以后需要等待至少10微秒以上，等待AD 轉(zhuǎn)換電路的輸入完全穩(wěn)定以后再讀取AD數(shù)據(jù)，否則讀到的數(shù)據(jù)會存在誤差。AD7792輸入電阻非常高，輸入電路的并聯(lián)電阻R403是為了輸入通道沒有信號輸入時加速放電而設(shè)計(jì)的，從而避免輸入信號在濾波電容上的電荷積累而可能影響測量精度。

1.3 信號接口和電源

通常濕度傳感器采用四線制連接，電壓型信號如通道1的JH1-2和JH1-3，JH1-3在傳感器輸出端是接地（GND）的。16個電壓通道通過P401插排引入，P402為控制信號及電源輸入接口，這里有一個非常值得注意的地方就是12V、5V 和3.3V 電源，都加了LC電路進(jìn)行濾波，如圖3中的L401和C410、L402和C411、L403和C412，避免與外設(shè)互相干擾。這里的電感器件L401、L402和L403使用磁珠代替。另外，為了避免浪涌沖擊，例如雷電沖擊，每個電源收入端電路都加上雙向瞬態(tài)二極管進(jìn)行有效抑制，如圖3中的D401、D402、D403。這種設(shè)計(jì)的理念和方法在實(shí)際的應(yīng)用中得到驗(yàn)證，效果比較好。

圖3 接口電路及供電

1.4 PCB設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的電路板設(shè)計(jì)如圖4所示。為了清晰顯示布線，圖中去掉了頂層和底層的敷銅層。

圖4 PCB設(shè)計(jì)圖

PCB設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)器件布局的合理性，比如，AD 轉(zhuǎn)換電路與提供基準(zhǔn)電壓芯片的距離應(yīng)該盡可能靠近，減少線間的感應(yīng)干擾。在濾波電路元件布局中，濾波電感電容緊靠被保護(hù)器件的引腳位置，如電路中的C404、C405、C408、C409等。必須特別注意的是信號輸入電路的平衡性布局原則，也就是說信號的正極和信號的負(fù)極在電路布線的時候，兩條連線必須平行走線，而且要求長度一樣長，如果兩條線長度不一致，其線上的電阻值不一致可能會引起測量系統(tǒng)誤差，如開關(guān)陣列圖1的信號公共端VDA 和VDB到AD轉(zhuǎn)換電路圖2的AD7792引腳5和引腳6之間，走線必須平行并且保持一樣長度。這是沒有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員最容易忽視的技術(shù)細(xì)節(jié)。

對于精密測量電路來說，PCB板頂層和底層一般都還需要增加敷銅，目的是增強(qiáng)抗干擾能力［9-12］，這一點(diǎn)不容忽視。

2 實(shí)現(xiàn)的軟件代碼

本測量電路是一個大型測量設(shè)備的一小部分。核心控制由單片機(jī)STM32F207實(shí)現(xiàn)。軟件代碼采用keil51內(nèi)嵌式C語言編程。兩個頭文件stm32f2xx＿gpio.h和stm32f2xx＿rcc.h包含了對STM32F207單片機(jī)全部初始化所需的定義。

首先要對單片機(jī)的PIO 口進(jìn)行初始化，把PF8、PF9、PF10、PF11、PF12、PF13、PF14、PF15初始化為狀態(tài)控制腳，設(shè)置為輸入輸出屬性，按照十六通道濕度信號輸入順序的邏輯時序分別設(shè)置高或低電平的組合，形成十六通道選擇控制開關(guān)矩陣。

頭文件ADC.h包含了AD初始化定義。AD 轉(zhuǎn)換電路AD7792初始化按照固定的步驟要求完成。關(guān)鍵是初始化的參數(shù)需要根據(jù)應(yīng)用電路的實(shí)際需求進(jìn)行合理的設(shè)置，比如說AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)更新率、信號放大倍數(shù)等，這些參數(shù)都會直接影響到了測量電路的轉(zhuǎn)換速度和測量精度［13-15］。由例程My＿InitADC（void）完成AD7792初始化。

所用的濕度傳感器測量相對濕度值0%～100%（即0～100RH），對于輸出電壓范圍為0～0.5V，AD7792采用的基準(zhǔn)電壓為5V，即是全量程可以達(dá)到0～5V 之間。為了提高轉(zhuǎn)換分辨率，設(shè)置AD7792的增益為8倍，使信號電壓變化在0～4V 之間。AD7792是十六位AD 轉(zhuǎn)換器，按照這樣的計(jì)算，轉(zhuǎn)換的分辨率可以達(dá)到0.001 9RH，完全滿足測量分辨率要求。

初始化及AD轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)讀取例程的源代碼如下：

在使用AD7792之前，必須完成初始化各個步驟，芯片才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，特別是需要進(jìn)行內(nèi)部零點(diǎn)校準(zhǔn)和內(nèi)部滿刻度線性校準(zhǔn)的過程。這個過程是通過對AD7792初始化完成后，AD芯片自身內(nèi)部完成，并把校準(zhǔn)曲線保持在寄存器中。初始化步驟如下：

1）通信寄存器：0 0 101 0 00——0x28選擇下一步寫IO 寄存器，IO 寄存器（8 位可讀可寫）：0000 00 11——0x03 電流源接至IOUT1，1mA。

2）通信寄存器：0 0 010 0 00——0x10選擇下一步寫配置寄存器，配置寄存器（16位可讀可寫）：00 0 1 0 011 0 00 1 0 000——0x1310 偏置電壓發(fā)生器禁用，禁用熔斷電流，單極性模式，增益＝8，選擇外部基準(zhǔn)電壓，輸入有緩沖器，通道1（AN＋和AN-）。

3）通信寄存器：0 0 001 0 00——0x08選擇下一步寫模式寄存器，模式寄存器（16位可讀可寫）：100 00000 00 00 0101——0x8005 內(nèi)部零點(diǎn)校準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘64kHz 不送CLK 引腳，轉(zhuǎn)換更新速率50Hz。

4）通信寄存器：0 0 001 0 00——0x08選擇下一步寫模式寄存器，模式寄存器（16位可讀可寫）：101 00000 00 00 0101——0xA005 內(nèi)部滿刻度校準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘64kHz不送CLK 引腳，轉(zhuǎn)換更新速率50Hz。

5）通信寄存器：0 0 001 0 00——0x08選擇下一步寫模式寄存器，模式寄存器（16位可讀可寫）：110 00000 00 00 0101——0xC005 系統(tǒng)零點(diǎn)校 準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘64kHz 不送CLK 引腳，轉(zhuǎn)換更新速率50Hz。

6）通信寄存器：0 0 001 0 00——0x08選擇下一步寫模式寄存器，模式寄存器（16位可讀可寫）：111 00000 00 00 0101——0xE005 系統(tǒng)滿刻度校準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘64kHz不送CLK 引腳，轉(zhuǎn)換更新速率50Hz。

7）通信寄存器：0 0 001 0 00——0x08選擇下一步寫模式寄存器，模式寄存器（16位可讀可寫）：000000000000 0101——0x0005 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，內(nèi)部時鐘64kHz 不送CLK引腳，轉(zhuǎn)換更新速率50Hz。

8）通信寄存器：0 1 011 0 00——0x58選擇下一步讀數(shù)據(jù)寄存器，不連續(xù)讀數(shù)據(jù)。

AD7792上電以后或者工作過程中，有時候可能會接口迷失無法受控，為了保險起見，初始化之前需要恢復(fù)接口狀態(tài)，可以保持DIN 高電平，經(jīng)過32個以上時鐘周期，通信口就可恢復(fù)到默認(rèn)模式。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路初始化例程如下：

通過時序控制例程按順序切換模擬開關(guān)來選擇各個信號通道，實(shí)現(xiàn)分時測量，注意開關(guān)切換后的需要一定的穩(wěn)定時間才能再讀數(shù)，否則數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，經(jīng)驗(yàn)值大概需要20～50ms。

如下例程完成寄存器寫參數(shù)設(shè)置：

如下例程完成讀取寄存器數(shù)據(jù)：

等待輸入信號穩(wěn)定以后，AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)就可以正常讀取出來，下面是讀16位數(shù)據(jù)例程：

3 測試驗(yàn)證

十六路濕度測量電路是濕度梯度觀測儀器的重要組成部分，它適配濕度傳感器輸出模擬電壓信號，如果傳感器輸出電流信號，則需要轉(zhuǎn)換為電壓信號再送入測量電路。十六路電壓信號分別輸入到開關(guān)陣列，按照分時順序切換進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，因?yàn)锳D轉(zhuǎn)換器是公用的，那么轉(zhuǎn)換的誤差在這個環(huán)節(jié)中是相同的，但是開關(guān)陣列前端的輸入信號電路造成的誤差可能不一樣，通過實(shí)際測試加以驗(yàn)證。

3.1 通道一致性測試

AD7792是16 位轉(zhuǎn)換器，測量相對濕度0%～100%，那么濕度測量最優(yōu)分辨率＝100／655 35＝0.001 5。適當(dāng)設(shè)置AD的增益，使傳感器輸出0～1V 代表的相對濕度0%～100% 落在AD 轉(zhuǎn)換器的線性區(qū)域，提高測量精度。0.01V代表相對濕度1%，為方便起見，選擇0.100 V 和0.800V 分別代表10%和80%兩個測量點(diǎn)進(jìn)行測試，驗(yàn)證測量電路的通道一致性和測量誤差。

使用Fluke 5720A 高精度校準(zhǔn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)信號源，具有7 位半數(shù)字多用表的準(zhǔn)確度，最佳年不確定度到達(dá)±3.5ppm。使用并聯(lián)方法把Fluke 5720A 輸出連接到圖3的P401 接線板的各路輸入端JH1-2 和JH1-3，JH2-2 和JH2-3，……，JH16-2和JH16-3，使每個通道的輸入信號完全相同。注意測量電路與Fluke 5720A 通過導(dǎo)線良好共地，防止干擾。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號源分別輸出0.100 0 V 和0.800 0V，取小數(shù)點(diǎn)后4位能夠滿足測試要求。利用后端的氣象數(shù)據(jù)采集器讀數(shù)，讀出換算后的相對濕度數(shù)據(jù)，連續(xù)讀數(shù)三次，三次平均作為測量值，如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，當(dāng)輸入0.100 013V 電壓的時候，相當(dāng)于輸入標(biāo)準(zhǔn)相對濕度10%，那么被測各通道讀出的濕度最大值是10.077%，濕度最小值是9.940%，兩者之差為0.137%；當(dāng)輸入0.800 006V 電壓的時候，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)相對濕度80%，那么讀出的濕度最大值是80.193%，濕度最小值是79.823%，兩者之差為0.170%，充分說明了16個通道的一致性非常好，低濕度點(diǎn)和高濕度點(diǎn)之間的線性也比較好。

3.2 誤差分析

參考?xì)庀蟛块T有關(guān)地面氣象觀測現(xiàn)場考核評估方法，對測量電路各通道的測試數(shù)據(jù)（見表1）的相對誤差、平均絕對離差和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用的具體方法如下：

相對誤差：定義為絕對誤差與真值（標(biāo)準(zhǔn)值）的比值。

式中，δ表示相對誤差，Y表示從十六通道測量電路讀出的相對濕度數(shù)據(jù)，X表示標(biāo)準(zhǔn)器換算得到的相對濕度數(shù)據(jù)。在10%測試點(diǎn)，對其對應(yīng)的16組數(shù)據(jù)進(jìn)行相對誤差計(jì)算，得出結(jié)果是0.003，第二個測試點(diǎn)80%，對應(yīng)相對誤差為0.000 2；

平均絕對離差：每個誤差值與平均誤差值之間的差的平均值，表示為：

式中，AD表示平均絕對離差，X為一組數(shù)據(jù)的誤差值；為X的算術(shù)平均數(shù)；n為數(shù)據(jù)的項(xiàng)數(shù)。

利用公式（2）計(jì)算16 個通道的平均絕對離差，在10%測試點(diǎn)是0.002 475，在80%測試點(diǎn)是0.000 147；

測量電路16通道的測量標(biāo)準(zhǔn)差，使用下列公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中，σ表示標(biāo)準(zhǔn)差，xi的平均值（算術(shù)平均值）為μ。計(jì)算結(jié)果在10%測試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.041，在80%測試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.095。

上述誤差分析結(jié)果表明，十六通道的測量電路一致性比較好，測量誤差很小。中國氣象觀測規(guī)范中，濕度測量的指標(biāo)要求是，當(dāng)0%～85%時測量最大允許誤差是±4%，當(dāng)85%～100%時測量最大允許誤差±8%，分辨率0.1%。本電路作為自動氣象站設(shè)備中一個測量模塊，在氣象塔上濕度梯度觀測設(shè)備長期應(yīng)用，其性能穩(wěn)定可靠，完全滿足氣象觀測設(shè)備的應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

通常在電子精密測量應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)多路模擬量的測量，廣泛使用多路復(fù)用器（MUX）芯片。采用MUX 完成多個通道模擬量的切換，沒有機(jī)械觸點(diǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)性能，信號匯聚到單路ADC 電路，分時測量多路模擬量，從而節(jié)省大量的ADC、參考電路、開關(guān)分電路和調(diào)理電路，明顯降低成本實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)化［16-18］?；诙嗦冯娮幽M開關(guān)構(gòu)成的十六通道濕度測量電路，只用一片16位AD7792數(shù)模轉(zhuǎn)換器和兩片ADG1607電子模擬開關(guān)，不僅是明顯降低成本，更重要的是能夠確保每一路的系統(tǒng)誤差盡可能一致［19-21］，測量出來的濕度值能夠客觀反映各通道的真實(shí)情況及微小差異，這對于精密測量應(yīng)用中是首要考慮的因素。電子模擬開關(guān)陣列形成的多通道測量電路比較適合于電壓型濕度傳感器模擬測量電路應(yīng)用，因?yàn)橥ㄟ^的電流小，開關(guān)內(nèi)阻也小，開關(guān)導(dǎo)通的內(nèi)阻造成的壓降就可以忽略不計(jì)，對測量結(jié)果影響非常微小。各通道互相之間的測量差異表現(xiàn)為相對濕度最大是0.17%，在各通道兩個測量點(diǎn)上測量數(shù)據(jù)的相對誤差、平均絕對離差、標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.003、0.002 475、0.095，說明了通道一致性和測量誤差都比較好。

本電路已經(jīng)應(yīng)用于投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的自動氣象站設(shè)備中，靜態(tài)性能檢定和外場考核對比表明，系統(tǒng)整體性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，長期工作穩(wěn)定。

當(dāng)然，電子模擬開關(guān)構(gòu)成的電路也存在局限性和不足，比如，不太適合數(shù)據(jù)采用頻率要求很高的場景，因?yàn)槊恳宦返那袚Q以后需要一定的穩(wěn)定時間，16路就需要16倍的等待時間，所以數(shù)據(jù)采樣的頻率就不可能很高，難以滿足高速數(shù)據(jù)采集的需要。