應(yīng)用于MTS的多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳岳洋,覃方君,李冬毅,黃春福

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院,湖北武漢 430033)

0 引言

在原子干涉精密測(cè)量領(lǐng)域,激光穩(wěn)頻是實(shí)現(xiàn)原子冷卻與囚禁的關(guān)鍵技術(shù),其穩(wěn)定的出射光也可作為其他頻率光的參照。通常以原子躍遷頻率作為激光穩(wěn)頻的參考頻率,對(duì)應(yīng)穩(wěn)頻技術(shù)主要有飽和吸收光譜穩(wěn)頻(SAS)[1]、調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻(MTS)[2]、偏振光譜穩(wěn)頻(PS)[3]和磁致二色性穩(wěn)頻(DAVLL)[4]等。其中,MTS的調(diào)制轉(zhuǎn)移嚴(yán)格發(fā)生在多普勒速度為零的原子群,從本質(zhì)上消除了鑒頻信號(hào)的多普勒背景[5],擁有高靈敏度、高分辨率、可長(zhǎng)期連續(xù)鎖定等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前較為主流的穩(wěn)頻方法。

在MTS中,半導(dǎo)體激光器(LD)的閾值電流和中心波長(zhǎng)會(huì)隨溫度變化而改變[6],導(dǎo)致頻率長(zhǎng)漂而脫鎖[7],對(duì)應(yīng)溫調(diào)率一般為10 GHz/℃量級(jí)。為確保LD出射光的穩(wěn)定性,通常將其工作溫度穩(wěn)定在室溫附近,并保持其波動(dòng)范圍在0.05 ℃內(nèi)[8-10]。同時(shí),溫度也會(huì)影響銣泡(RB)中飽和原子蒸汽密度[11]和譜線線寬[12],改變MTS信號(hào)幅值和斜率,從而影響鎖頻精度。為獲得較好的銣原子吸收譜線,通常將RB工作溫度設(shè)定在20～70 ℃[13-14],并保證其波動(dòng)范圍在0.1 ℃內(nèi)[15-16]。此外,電光調(diào)制器(EOM)的晶體雙折射率會(huì)因溫度效應(yīng)發(fā)生改變,引入剩余幅度調(diào)制造成鎖頻點(diǎn)漂移[17],對(duì)應(yīng)溫調(diào)率一般為kHz/℃量級(jí)[18]。為保證鎖頻的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,通常將EOM溫度穩(wěn)定在室溫附近,并確保其穩(wěn)態(tài)誤差在0.05 ℃內(nèi)[19]。

為獲得更好的鎖頻效果,需同時(shí)對(duì)LD、RB和EOM溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,設(shè)計(jì)了測(cè)溫范圍10～80 ℃的多點(diǎn)溫度采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果分析,該系統(tǒng)在測(cè)溫范圍內(nèi)的測(cè)溫誤差在0.02 ℃內(nèi)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由溫壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理、采集傳輸和監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。系統(tǒng)工作原理為:將三線制鉑電阻PT1000接入由基準(zhǔn)電壓源激勵(lì)的電橋電路,使LD、EOM和RB的溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓變化,并經(jīng)過(guò)抗射頻干擾(RFI)濾波器后送至儀表放大器。同步采樣ADC將信號(hào)調(diào)理電路輸送的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并由FPGA將電壓值經(jīng)由串口發(fā)送至上位機(jī)。然后通過(guò)LabVIEW轉(zhuǎn)換為溫度,進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖1 多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PT1000測(cè)溫原理

該系統(tǒng)采用1/3DIN B級(jí)鉑電阻PT1000,其阻值會(huì)隨溫度近似線性變化,它在測(cè)溫范圍-50～200 ℃內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)溫度變化率約為3.851 Ω/℃。在實(shí)驗(yàn)測(cè)溫范圍10～80 ℃內(nèi),鉑電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系為

Rpt=R0·(1+At-Bt2)

(1)

式中:Rpt為PT1000在t℃的阻值,Ω;R0為PT1000在0 ℃的阻值R0=1 kΩ;A、B為分度常數(shù),在溫度系數(shù)TCR=0.003 851時(shí),A=3.908 3×10-3/℃,

B=5.775×10-7/℃2。

根據(jù)PT1000分度表可知實(shí)驗(yàn)溫度10～80 ℃時(shí),其阻值為1 039.025～1 308.968 Ω。

2.2 溫壓轉(zhuǎn)換電路

鉑電阻測(cè)溫的接線方式通常有:二線制、三線制和四線制。二線制設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,但引線電阻會(huì)增大實(shí)際測(cè)量值[20]。四線制可徹底消除引線電阻影響,但遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)引線成本較高。三線制接法的電路相對(duì)簡(jiǎn)單,且能夠有效削弱引線電阻影響。三線制PT1000溫壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 三線制PT1000溫壓轉(zhuǎn)換電路

通過(guò)電橋電路將PT1000電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化,必須接入電壓相當(dāng)穩(wěn)定的基準(zhǔn)源。選用B級(jí)ADR4550輸出+5 V的基準(zhǔn)電壓,它擁有超低噪聲和出色的溫度穩(wěn)定性,輸出電壓噪聲在μV量級(jí),溫漂為4 ppm/℃(1 ppm=10-6)。電橋電路輸出壓差Uab為

(2)

式中r為引線電阻。

流過(guò)PT000的電流應(yīng)低于0.5 mA,避免產(chǎn)生自熱效應(yīng)[21],故電阻R1、R2取10 kΩ。0 ℃時(shí)電橋平衡,Rpt=R3=1 kΩ,由式(2)知Uab=0,可消除引線電阻影響?？紤]電橋性能,電阻R1、R2、R3均選用精度0.01%、溫漂5 ppm/℃的金屬箔電阻。將PT1000電阻(1 039.025～1 308.968 Ω)帶入式(2),求出Uab最大電壓約為124 mV。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示,主要由抗RFI濾波器和儀表放大器AD620組成。AD620會(huì)對(duì)射頻信號(hào)整流造成直流失調(diào),而溫壓轉(zhuǎn)換電路輸出微弱直流電壓在mV量級(jí),需要濾除RFI來(lái)提高測(cè)溫精度。RFI濾波器由R4、R5、C4、C5、C6組成,對(duì)應(yīng)-3 dB差分帶寬和-3 dB共模帶寬fCM分別為:

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

(3)

(4)

R4、C4和R5、C6構(gòu)成2個(gè)低通共模濾波器,濾除高頻RFI信號(hào)。電容C5取47 nF,則電容C4、C6至少為其10%,降低元件失配引起的交流共模抑制誤差[22]。為保證共模抑制性能,C4、C6均為容差5%、容值1 nF的銀云母電容,由式(3)、式(4)可知fDIFF、fCM分別為419 Hz和39.789 kHz。

AD620是低功耗、低成本、高精度的儀表放大器,它的溫漂低至0.6 μV/℃,非常適合用于微弱信號(hào)的放大[23],通過(guò)AD620將Uab調(diào)理到AD期望的電壓采集范圍。增益G與增益電阻RG函數(shù)關(guān)系為

G=4.94×104/RG+1

(5)

增益電阻RG為精度0.01%、溫漂5 ppm/℃、阻值2 kΩ的金屬箔電阻。由式(5)可知G=25.7,則信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓為

Uout=25.7Uab+UREF

(6)

設(shè)計(jì)中,UREF接地為零,將Uab=124 mV帶入式(6),可知Uout最大約為3.19 V。假設(shè)PT1000引線電阻為1 Ω,在Multism中對(duì)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行仿真測(cè)試,仿真結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的輸出電壓為3.19 V,與理論分析符合。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路仿真圖

2.4 采集傳輸電路

AD7606是高達(dá)200 KSPS吞吐率的多路同步采樣ADC,它內(nèi)置抗混疊濾波器和1 MΩ的高輸入阻抗,其分辨率為16位,單極性有效分辨率為低15位。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅需3路,這里短接CONVSTA和CONVSTB實(shí)現(xiàn)8路同步采樣,方便后續(xù)提升系統(tǒng)擴(kuò)展性。RANGE接地說(shuō)明SIGNAL輸入電壓最大為5 V,符合設(shè)計(jì)要求。AD采集電壓分辨率為5 V/32 768=0.153 mV/code;測(cè)溫范圍10～80 ℃內(nèi)電壓變化率為3.19 V/80 ℃=40 mV/℃;溫度分辨率為(0.153 mV/code)/(40 mV/℃)=0.003 8 ℃/code,理論上可為高精度測(cè)溫提供保證[24]。采集傳輸電路如圖5所示。

圖5 采集傳輸電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)下位機(jī)以FPGA為核心,根據(jù)功能不同劃分為AD讀取、均值濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送模塊。

(1)AD讀取模塊:采用狀態(tài)機(jī)控制AD讀取,將調(diào)理電路輸入的3路電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

(2)均值濾波模塊:將采集的多個(gè)數(shù)字量取平均,降低噪聲在有用信號(hào)的比重來(lái)提高測(cè)溫精度[25]。

(3)數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊:將二進(jìn)制電壓值轉(zhuǎn)換為ASCII碼,并在FPGA中將幀頭、數(shù)據(jù)和幀尾封裝后傳輸?shù)较聜€(gè)模塊。

(4)串口發(fā)送模塊:將電壓信息依次發(fā)送到上位機(jī)。

FPGA控制框圖如圖6所示。

圖6 FPGA控制框圖

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)模塊以LabVIEW為設(shè)計(jì)工具,通過(guò)VISA功能與下位機(jī)建立串口通信。上位機(jī)主要對(duì)下位機(jī)傳輸?shù)碾妷盒畔⑦M(jìn)行解析,并通過(guò)公式節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為擬合溫度,完成LD、RB和EOM測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的波形繪制和存儲(chǔ),方便后續(xù)分析處理。其中,左邊為L(zhǎng)D、RB和EOM的設(shè)定測(cè)溫限值,當(dāng)溫度波動(dòng)超過(guò)該區(qū)間時(shí)警報(bào)燈閃爍。監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)模塊界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)模塊界面

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由于鉑電阻、AD轉(zhuǎn)換的非線性和引線電阻等因素都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響,需要進(jìn)行測(cè)溫校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)[12,26]。將PT1000和控溫儀(相對(duì)穩(wěn)定性<0.01 ℃)的NTC熱敏電阻通過(guò)銅箔固定在均熱板上,并置于恒溫箱中。待恒溫箱溫度穩(wěn)定后,對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)采集3 min取平均。將控溫儀測(cè)溫結(jié)果作為參考溫度,采用最小二乘法對(duì)AD采集電壓進(jìn)行分段線性擬合,對(duì)應(yīng)方程為

(7)

由溫度-電壓分段線性擬合曲線(圖8)可知,鉑電阻阻值與AD采集電壓值之間存在較好的線性關(guān)系。測(cè)溫誤差曲線如圖9所示,可見(jiàn)測(cè)溫系統(tǒng)在10～80 ℃范圍內(nèi)的測(cè)溫誤差在0.02 ℃內(nèi),具有很高的測(cè)量精度。

圖8 溫壓擬合曲線

圖9 測(cè)溫誤差曲線

對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的3個(gè)通道進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試,CH1～CH3分別為3個(gè)通道的150組溫度取平均,計(jì)算出相應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)不到0.017%,說(shuō)明測(cè)溫系統(tǒng)的重復(fù)性好。多路測(cè)溫結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜穩(wěn)頻的實(shí)際需要,以FPGA為核心設(shè)計(jì)了多路溫度采集系統(tǒng),分析了整體方案和組成環(huán)節(jié)精度,并進(jìn)行了電路仿真和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。在硬件選取方面,采用三線制PT1000電橋電路削弱引線電阻對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響,高精度基準(zhǔn)電壓源ADR4550、16位高精度并行采樣AD7606和儀表放大器AD620確保了多點(diǎn)測(cè)溫精度。在軟件設(shè)計(jì)方面,FPGA的數(shù)字均值濾波和溫度-電壓分段線性擬合標(biāo)定的方法可提高測(cè)溫精度。LabVIEW交互上位機(jī)為測(cè)溫監(jiān)測(cè)、溫度數(shù)據(jù)分析提供了便利。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示:該系統(tǒng)測(cè)溫精度高、重復(fù)性好,能夠滿足多點(diǎn)溫度測(cè)量需求,具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

表1 多路測(cè)溫結(jié)果