文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.036
中文引用格式: 宋敏慧,,費(fèi)偉,劉小寧. 高穩(wěn)定度磁體電流測量系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,43(7):143-147.
英文引用格式: Song Minhui,F(xiàn)ei Wei,,Liu Xiaoning. Design and study on highly stabilized magnet current measurement system[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(7):143-147.
0 引言
中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心在建的40 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置是由內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體兩部分組成。本文針對(duì)外超導(dǎo)磁體所需的高穩(wěn)定度電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。外超導(dǎo)磁體電源最大輸出5 V/16 kA,,而且要求輸出電流紋波在±5 ppm以內(nèi)(額定電流為16 kA)[1]。
經(jīng)過分析選定電源控制系統(tǒng)方案為數(shù)字調(diào)節(jié)環(huán)[2],,這樣其穩(wěn)定度主要受限于反饋環(huán)節(jié),、給定及數(shù)字控制算法的選擇與實(shí)現(xiàn)等。本文只討論輸出電流的測量電路,具體包含前端信號(hào)調(diào)理電路,、高精度電壓基準(zhǔn)電路和A/D轉(zhuǎn)換電路,。其中,前端信號(hào)調(diào)理電路對(duì)來自傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,,包含對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整和偏置,、抑制共模干擾、抗混疊濾波等,,以滿足ADC的輸入要求,。
在模擬測量電路中,主要有3類元器件,,分別是前端信號(hào)調(diào)理電路中的運(yùn)算放大器,、電壓基準(zhǔn)電路中的電壓基準(zhǔn)源及A/D轉(zhuǎn)換電路中的ADC。
外超導(dǎo)磁體電源的穩(wěn)定度要達(dá)到8小時(shí)±5 ppm,,則其在ADC輸入端上的變化值為10 μV((5×10-6×16 000 A)×(2.5 V/20 000 A))。從控制角度,,希望ADC可分辨的電壓要小于該值,。這就需要提高測量電路的測量精度。
對(duì)于這樣一個(gè)高精度高穩(wěn)定度的模擬測量系統(tǒng),,本文首先對(duì)三類主要元器件進(jìn)行選型,,然后分別從系統(tǒng)噪聲(零輸入)和溫度特性兩方面對(duì)其進(jìn)行分析,并得到最終的方案,。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案滿足性能要求,。
1 高穩(wěn)定度模擬測量電路的設(shè)計(jì)
1.1 關(guān)鍵元器件的選型
對(duì)于ADC,考慮其最小分辨率要小于10 μV,,而且高精度ADC的滿量程電壓都較小,,以5 V計(jì)算,則ADC的有效分辨率至少要達(dá)到21位(2.5 V/221≈1.2 μV),,再考慮到噪聲的影響選擇24位∑-△型ADC,。采樣頻率為500 Hz。此外還需要極低溫度系數(shù),,經(jīng)過比較選擇TI的24位∑-△高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1281,。
ADS1281為全差分輸入ADC,而信號(hào)調(diào)理電路輸出為單極性信號(hào),,為了信號(hào)匹配,,需要將信號(hào)調(diào)理電路輸出的單極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)。又因?yàn)樗鶞y量的信號(hào)能量弱,、幅度小,,為了達(dá)到足夠高的精度,全差分運(yùn)放應(yīng)具有較高的輸入阻抗和很強(qiáng)的抗共模干擾能力。而且為了達(dá)到較高的動(dòng)態(tài)范圍和信噪比,,運(yùn)放選型需要低噪聲和低漂移特性,。ADC相關(guān)的電壓基準(zhǔn)源、基準(zhǔn)源后的緩沖運(yùn)放也是決定模擬測量電路最終性能的關(guān)鍵,,其主要關(guān)注點(diǎn)也是低噪聲和低溫漂系數(shù)[3],。
以上三類器件的選型暫定為:+5 V電壓基準(zhǔn)源可選擇的方案為TI的REF5050ID和Maxim的MAX6350C_A,基準(zhǔn)源后的緩沖運(yùn)放選擇TI的OPA277A,,ADC輸入端的全差分運(yùn)放可選擇的方案為TI的OPA1632D(這款為TI針對(duì)ADS1281推出的評(píng)估板上推薦的運(yùn)放)和LME49724,。
此外,為了減小溫漂帶來的影響,,外部縮放和增益電路中也應(yīng)使用低漂移器件,。
1.2 系統(tǒng)噪聲分析
電流測量系統(tǒng)的信號(hào)來自高精度DCCT,它不僅有反映被測參數(shù)的測量信號(hào),,還有器件內(nèi)部和外界干擾引起的噪聲,,該噪聲限定了測量電路所能準(zhǔn)確測量的最小量級(jí),是系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要指標(biāo),。其中,,器件內(nèi)部噪聲是器件固有的,一般無法消除[4-6],,需要對(duì)器件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行篩選,。
接下來,分析磁體電流測量電路中3類主要元器件在系統(tǒng)噪聲中的貢獻(xiàn),??刂葡到y(tǒng)的帶寬為1 Hz[2],所以測量系統(tǒng)的有效信號(hào)頻帶為1 Hz,,這樣噪聲分析時(shí)只分析1 Hz以內(nèi)的信息,。
磁體電流測量電路中有兩類運(yùn)放,一種為全差分接法,,作為ADC的輸入驅(qū)動(dòng)電路,;一種為電壓跟隨器接法,用于電壓基準(zhǔn)源后的緩沖電路,。
1.2.1 運(yùn)放的噪聲
運(yùn)放噪聲主要包含電壓噪聲,、電流噪聲及電阻產(chǎn)生的熱噪聲。這里討論差分放大器的噪聲,,其噪聲模型如圖1所示,。圖中的Vn為電阻熱噪聲。eN為輸入電壓噪聲,。IBN和IBI分別為正反相端輸入電流噪聲,。
其中運(yùn)放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲與頻率有關(guān),,在極低頻率時(shí)(0.1 Hz~10 Hz)主要是1/f噪聲(也稱為閃爍噪聲),這里只考慮1/f噪聲,;電阻熱噪聲相比于前兩種噪聲非常小,,可以忽略。
(1)電壓噪聲
l/f噪聲帶來的輸入電壓噪聲為:
輸入電流噪聲與反饋電阻成正比,,實(shí)際中可通過減小反饋電阻以進(jìn)一步減小電流噪聲,。
對(duì)于OPA277U在輸出端產(chǎn)生的電流噪聲為0。
得出在差分放大電路中,,反饋電阻取250 Ω時(shí),,運(yùn)放對(duì)噪聲的總貢獻(xiàn)為:
1.2.2 電壓基準(zhǔn)源的噪聲
在溫度不變的情況下,影響電壓基準(zhǔn)源輸出電壓的因素表現(xiàn)為電壓噪聲,,它包含寬頻熱噪聲和窄頻1/f噪聲,。其中,寬帶熱噪聲已經(jīng)通過RC低通濾波器濾除,。而1/f噪聲不能被濾除,,其主要集中在0.1~10 Hz范圍內(nèi)。
1/f噪聲帶來的電壓基準(zhǔn)源的輸出噪聲可由以下公式計(jì)算得到:
其中GAD為ADC的實(shí)際增益值,,VOS為ADC的失調(diào)誤差,,N為ADC分辨率。
電壓基準(zhǔn)源的噪聲對(duì)系統(tǒng)輸出噪聲的影響與輸入信號(hào)的幅值有關(guān),,隨著輸入電壓的增加,參考電壓所帶來的誤差也隨之增大,。零輸入時(shí),,此噪聲對(duì)ADC輸出的影響可以忽略。滿量程輸入時(shí),,即VIN=Vref=5 V,,則此噪聲對(duì)ADC輸出變化值為:
可知,由電壓基準(zhǔn)源的輸出噪聲造成的ADC輸出值變化最大約為0.57 ppm,。
1.2.3 ADC的噪聲
ADC的內(nèi)部噪聲是芯片固有的,,與輸入電壓和基準(zhǔn)電壓無關(guān)。
ADS1281的內(nèi)部噪聲圖見圖2,。從圖2中可看出,,在采樣率為1 000 S/s、雙極供電時(shí),,ADC的內(nèi)部噪聲約為1 μV(RMS),。通過數(shù)字平均、降低采樣頻率等措施可以有效減少折合到輸入端的噪聲的影響,,所以實(shí)際上ADC的噪聲遠(yuǎn)小于該值,。
將以上三類主要元件的噪聲折算到輸出中,可知ADC和電壓基準(zhǔn)源貢獻(xiàn)最大,但依然遠(yuǎn)小于10 μV,,所以系統(tǒng)噪聲在這里不成為影響因素,。
1.3 溫度特性分析
溫度漂移是影響模擬測量電路精度的另一個(gè)重要因素。同樣是針對(duì)測量電路中的三類主要元件進(jìn)行討論,。
1.3.1 運(yùn)放的溫度特性
溫度變化時(shí),,影響運(yùn)放輸出電壓變化的主要為輸入失調(diào)電壓溫漂。
OPA1632D的輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值5 μV/℃,。該值明顯不滿足要求,。
而TI的LME49724,其輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值0.5 μV/℃,,滿足要求,。
1.3.2 電壓基準(zhǔn)源的溫度特性
REF5050ID的溫度系數(shù)為最大3 ppm/℃,則溫度每變化1 ℃,,電壓基準(zhǔn)源的輸出電壓變化量為最大1.5 mV,,則該電壓基準(zhǔn)源輸出變化量引起的系統(tǒng)輸出電壓變化量為:
基準(zhǔn)電壓源后接了OPA277U作為緩沖器。所以該運(yùn)放的溫度特性也必須計(jì)入電壓基準(zhǔn)源的總溫度特性中,。OPA277U的輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值0.1 μV/℃,,其遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)電壓的溫度參數(shù)。
零輸入時(shí),,電壓基準(zhǔn)源輸出變化量對(duì)輸出電壓的影響,,可以忽略。而滿量程輸入時(shí),,由電壓基準(zhǔn)源的輸出噪聲造成的ADC輸出值變化則接近3 ppm,,太大。
電壓基準(zhǔn)源芯片選擇MAX6350C_A,,其輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)為最大值1 ppm/℃,。
1.3.3 ADC的溫度特性
ADC受溫度影響的參數(shù)主要是失調(diào)電壓和線性增益值。ADS1281的失調(diào)電壓漂移為經(jīng)典值0.06 μV/℃,,增益漂移為經(jīng)典值0.4 ppm/℃,,非常小。
可見,,運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)源的失調(diào)電壓溫度系數(shù)對(duì)輸出電壓的影響最大,,ADC影響可忽略。
2 高穩(wěn)定度模擬測量電路的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證
2.1 具體電路實(shí)現(xiàn)
ADC選型為Texas Instruments的ADS1281, 它是一款高速24位Δ-Σ型SPI接口的全差分輸入ADC,。其增益漂移達(dá)到0.4 ppm/℃,,數(shù)據(jù)速率為250~4 000 S/s間5檔可選。
ADS1281接入的數(shù)字電源為3.3 V和模擬電源為±2.5 V,,參考電壓源Vref=±2.5 V,。
為了保證設(shè)備的性能最大化,,必須對(duì)ADC的外圍電路進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì),包含基準(zhǔn)電壓電路,、ADC的輸入端電路和主時(shí)鐘電路,。
首先是基準(zhǔn)電壓,采用高穩(wěn)定度基準(zhǔn)芯片MAX6350C_A,,具體電路見圖3所示,。在基準(zhǔn)芯片的輸出端設(shè)置RC低通濾波器,其截止頻率約為1.59 Hz,,用來濾除高頻噪聲以滿足系統(tǒng)對(duì)基準(zhǔn)源低噪聲的要求,。然后加入電壓跟隨器,以避免A/D基準(zhǔn)源輸入端的電流變化對(duì)基準(zhǔn)源輸出的影響[8],。最后在進(jìn)入ADC之前加入穩(wěn)壓管,,以保證ADC基準(zhǔn)電壓的安全。
然后是ADC的輸入驅(qū)動(dòng)電路,,采用TI公司的全差分運(yùn)放OPA1632D實(shí)現(xiàn),,見圖4所示。要求在輸出端串接一個(gè)1 nF的NP0陶瓷電容,,以減小THD(總諧波失真),。此外,在輸出端接二極管來對(duì)ADC的輸入電壓進(jìn)行鉗位,,以保證其輸入在安全范圍內(nèi),。考慮到ADC的輸入范圍為±2.5 V,,而DCCT的輸出電壓為0~10 V,,所以全差分運(yùn)放需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行4倍縮放。
最后是ADC的主時(shí)鐘電路,,為保證時(shí)鐘信號(hào)的高分辨率和穩(wěn)定度,這里是由鎖相環(huán)分頻得到4.096 MHz的PWM信號(hào),。
此外,,ADS1281有PIN模式和寄存器模式兩種工作模式,通過PINMODE管腳進(jìn)行選擇,根據(jù)所需要的功能,我們配置ADS1281工作在寄存器模式。CLK,、SCLK分別為ADS1281主時(shí)鐘和SPI串行接口時(shí)鐘,它們共同完成數(shù)據(jù)的傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換的進(jìn)行,DIN,、DOUT分別為數(shù)字信號(hào)輸入和數(shù)字信號(hào)輸出,它們都以SPI的串行通訊方式實(shí)現(xiàn)與FPGA的交互。
同時(shí),,縮放和增益電路中應(yīng)使用低漂移器件,。這里使用Vishay體金屬薄膜分壓器電阻系列300144Z,其電阻跟蹤溫度系數(shù)為0.1 ppm/℃,。
對(duì)于PCB布線,,為了保證設(shè)備的最佳性能,,必須將嘈雜的數(shù)字組件,如微控制器和振蕩器,,遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器和前端末端組件,;將數(shù)字組件靠近電源入口點(diǎn),以保持?jǐn)?shù)字電流通路盡可能短,;將數(shù)字組件和敏感的模擬組件分開,;所有的旁路電路均靠近設(shè)備引腳。
2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具體電路實(shí)現(xiàn)
在實(shí)驗(yàn)室條件下(溫度在25 ℃±1 ℃),,對(duì)VRE102C基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生的10 V電壓進(jìn)行測量,,雖然其datasheet上稱其溫度漂移在全溫度范圍內(nèi)最大0.6 ppm/℃,但實(shí)際測量結(jié)果卻有3 ppm左右,。因?yàn)楹茈y找到一個(gè)高穩(wěn)定度源(<1 ppm)來對(duì)測量電路進(jìn)行測量,,所以這里只針對(duì)零輸入情況下進(jìn)行測量。
在全差分運(yùn)放前還有一個(gè)抗混疊濾波器,,其截止頻率為500 Hz,。將該濾波器的輸入端短接接地。ADC的采樣頻率為500 Hz,,二進(jìn)制數(shù)進(jìn)入FPGA后再經(jīng)過50倍的中值濾波,,最終得到10 Hz的信號(hào)。本文通過Agilent8位半數(shù)字萬用表對(duì)ADC的輸入端進(jìn)行測量,,再將測量結(jié)果通過串口上傳到上位機(jī)(由LabVIEW編寫)來得到模擬電路的輸出波形,;通過上位機(jī)軟件(由LabVIEW編寫)對(duì)ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行采集來測量最終的輸出波形。兩種測量可以同時(shí)進(jìn)行,。測量結(jié)果見圖5和圖6所示,。一共測量了26小時(shí),其中前10小時(shí)為預(yù)熱時(shí)間,,后8小時(shí)穩(wěn)定度基本維持在4 ppm以內(nèi),,滿足要求。
3 結(jié)論
電源實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素之一是輸出磁體電流的高穩(wěn)定度測量,。本文針對(duì)磁體電流的測量,,分別從系統(tǒng)噪聲和溫度漂移兩個(gè)方面進(jìn)行分析提出了測量電路中三類主要元器件的選型依據(jù),并給出了最終的實(shí)現(xiàn)方案,。最后,,通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體測量,得出該方案在實(shí)驗(yàn)條件下(溫度在25 ℃±1 ℃),,穩(wěn)定度達(dá)到4 ppm,,滿足性能要求。
為了進(jìn)一步減小溫度漂移,,可考慮對(duì)ADC增加溫度補(bǔ)償算法,,最終將ADC采集系統(tǒng)的穩(wěn)定度控制在3 ppm以內(nèi),。
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作者信息:
宋敏慧1,,費(fèi) 偉1,2,,劉小寧2
(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),,安徽 合肥230026;2.中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心,,安徽 合肥230026)