一種以量子電壓為參考的四通道噪聲溫度計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種以量子電壓為參考的四通道噪聲溫度計(jì)，其包括：待測(cè)噪聲源，參考量子電壓贗噪聲源，與所述待測(cè)噪聲源和參考量子電壓贗噪聲源連接的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于：與所述開關(guān)連接電路相連接的四路放大濾波電路，該四路放大濾波電路與數(shù)據(jù)采集和處理部分的四路采集通道相對(duì)應(yīng)連接。該四通道噪聲溫度計(jì)可以有效地減少測(cè)量所需積分時(shí)間，降低系統(tǒng)偏差，將在熱力學(xué)溫度和玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量研究中發(fā)揮巨大作用。
【專利說明】一種以量子電壓為參考的四通道噪聲溫度計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于溫度測(cè)量領(lǐng)域，尤其是涉及一種以量子電壓為參考的四通道噪聲溫度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是大量微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度的宏觀體現(xiàn)。物質(zhì)的許多物理特性都與溫度有密切關(guān)系，為此準(zhǔn)確的測(cè)量溫度對(duì)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活等都具有重大意義。
[0003]溫度準(zhǔn)確測(cè)量的前提是建立溫標(biāo)，溫標(biāo)是將溫度數(shù)值化的標(biāo)尺，它規(guī)定了溫度數(shù)值化的一套方法，并定義了溫度的單位。溫標(biāo)的發(fā)展在經(jīng)歷了三個(gè)歷史階段后，目前國際上普遍采用的國際實(shí)用溫標(biāo)。國際溫標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)依賴于熱力學(xué)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，雖然在過去的幾十年里，世界各國的研究人員發(fā)展了各種測(cè)溫方法和研究手段來精確測(cè)量熱力學(xué)溫度，但是到目前為止，全世界只有少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家的計(jì)量機(jī)構(gòu)和研究單位具備利用基準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)量熱力學(xué)溫度的條件。
[0004]約翰遜噪聲溫度計(jì)是當(dāng)前少數(shù)幾種可以直接測(cè)量熱力學(xué)溫度的測(cè)溫方法之一，約翰遜噪聲也稱為熱噪聲，當(dāng)溫度在絕對(duì)零度以上時(shí)，由于導(dǎo)體內(nèi)部電荷或載流子的隨機(jī)熱擾動(dòng)，在導(dǎo)體兩端將產(chǎn)生由熱噪聲引起的電位起伏，約翰遜噪聲溫度計(jì)通過測(cè)量這種熱噪聲電壓來獲得熱力學(xué)溫度。與現(xiàn)行國際溫標(biāo)中的測(cè)溫方法相比，約翰遜噪聲溫度計(jì)不需要進(jìn)行分度，測(cè)量與傳感器的材料無關(guān)，不受測(cè)量環(huán)境的壓力影響，而且傳感器的阻值幾乎不影響測(cè)量精度，有望成為一種理想的測(cè)溫方式。
[0005]約翰遜噪聲是一種功率譜密度為常數(shù)的隨機(jī)信號(hào)，準(zhǔn)確測(cè)量它需要花費(fèi)較長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間來消除約翰遜噪聲信號(hào)隨機(jī)波動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均是制約噪聲溫度計(jì)無法實(shí)時(shí)測(cè)量的主要因素。傳統(tǒng)的雙通道噪聲溫度計(jì)大都采用兩個(gè)熱噪聲源，一個(gè)為參考源，另一個(gè)為待測(cè)源。兩個(gè)約翰遜噪聲源的統(tǒng)計(jì)平均時(shí)間延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間，而且兩個(gè)噪聲源之間無法同時(shí)匹配功率和阻抗，測(cè)量電路的非線性限制了其測(cè)量水平的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一套量子電壓贗噪聲源標(biāo)定的四通道噪聲溫度計(jì)。
[0007]本發(fā)明的四通道噪聲溫度計(jì)，其包括:待測(cè)噪聲源，參考量子電壓贗噪聲源，與所述待測(cè)噪聲源和參考量子電壓贗噪聲源連接的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于:與所述開關(guān)連接電路相連接的四路放大濾波電路，該四路放大濾波電路與數(shù)據(jù)采集和處理部分的四路采集通道相對(duì)應(yīng)連接。
[0008]其中，所述放大濾波電路包括前置放大電路，第一級(jí)緩沖電路，第二級(jí)緩沖電路和至少一個(gè)濾波器。
[0009]其中，所述濾波器為兩個(gè)無源低通濾波器。[0010]其中，所述開關(guān)轉(zhuǎn)換電路為四輸入-四輸出開關(guān)轉(zhuǎn)換電路[0011 ] 其中，所述開關(guān)轉(zhuǎn)換電路包括繼電器切換電路和開關(guān)控制電路。
[0012]其中，所述數(shù)據(jù)采集和處理部分包括數(shù)據(jù)采集電路和時(shí)序電路。
[0013]該溫度計(jì)采用量子電壓贗噪聲作為參考源，采用四路測(cè)量通道，可同時(shí)測(cè)量待測(cè)源和量子電壓噪聲源，達(dá)到相同統(tǒng)計(jì)不確定度所需測(cè)量積分時(shí)間將為雙通道噪聲溫度計(jì)積分時(shí)間的一半。與雙通道噪聲溫度計(jì)相比，新的四通道噪聲溫度計(jì)可以有效地減少測(cè)量所需積分時(shí)間，降低系統(tǒng)偏差，將在熱力學(xué)溫度和玻爾茲曼常數(shù)測(cè)量研究中發(fā)揮巨大作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1四通道 噪聲溫度計(jì)示意圖；
[0015]圖2單通道數(shù)據(jù)采集電路框圖；
[0016]圖3四通道數(shù)據(jù)采集電路的總體框圖；
[0017]圖4時(shí)序電路的原理簡(jiǎn)圖；
[0018]圖5模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)之間的通信框圖
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020]如圖1所示四通道噪聲溫度計(jì)示意圖，其包括待測(cè)噪聲源10，參考量子電壓贗噪聲源11，開關(guān)轉(zhuǎn)換電路12，四路放大濾波電路13以及數(shù)據(jù)采集和處理部分14。其中，在放大濾波電路13中，Preamp表示前置放大電路，Bufferl為第一級(jí)緩沖電路，Buffer2為第二級(jí)緩沖電路，每路放大濾波電路使用了無源低通濾波器I和濾波器2，優(yōu)選兩個(gè)濾波器均為11階巴特沃斯低通濾波器，每個(gè)濾波器的截止頻率為800kHz。兩個(gè)高階低通濾波器可以快速衰減ADC混疊回來的高頻信號(hào)，并確?；殳B信號(hào)低于測(cè)量帶寬內(nèi)(10~800kHz)信號(hào)至少 120dB。
[0021]從圖1中可以看出，參考量子電壓贗噪聲源11和待測(cè)噪聲源10兩端各自有兩路差分輸出，兩噪聲源四路輸出通過開關(guān)轉(zhuǎn)換電路分別輸入到后面四路放大濾波電路13，每?jī)陕贩糯鬄V波電路13組成一組測(cè)量通道，兩組測(cè)量通道交替測(cè)量參考量子電壓贗噪聲源和待測(cè)噪聲源。對(duì)于兩組測(cè)量通道來說，測(cè)溫原理是一樣的，下面對(duì)其中一組測(cè)量通道進(jìn)行分析。
[0022]假設(shè)通過量子電壓合成程序計(jì)算得到的量子電壓贗噪聲功率譜密度為v^a/;r，通
過測(cè)量待測(cè)噪聲源和參考量子電壓贗噪聲源功率比0/6可以直接計(jì)算出待測(cè)溫度T，計(jì)算公式如(I)式所示:
~^2 飛
[0023]T- VT vreal,T⑴
v2 4kR(T)
y r,T
[0024]式中，T是待測(cè)溫度，@和$分別為測(cè)量得到的待測(cè)噪聲源和量子電壓贗噪聲源功率。通過選擇合適長(zhǎng)度的傳輸線，匹配兩噪聲源傳輸函數(shù)，使兩噪聲源功率比在測(cè)量頻率帶寬內(nèi)匹配。
[0025]如圖1所示，四通道噪聲溫度計(jì)硬件電路包括四輸入-四輸出開關(guān)轉(zhuǎn)換電路12、放大濾波電路13和數(shù)據(jù)采集電路15。其中，開關(guān)轉(zhuǎn)換電路12包括繼電器切換電路和開關(guān)控制電路，數(shù)據(jù)采集電路15包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路和數(shù)據(jù)處理電路。
[0026]數(shù)據(jù)采集電路15是四通道噪聲溫度計(jì)最為重要的組成部分之一，四通道噪聲溫度計(jì)的每路采集通道采用具有相同電路結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集電路，如圖2所示的單個(gè)通道數(shù)據(jù)采集電路框圖，其包括:模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路和數(shù)據(jù)處理電路。為防止數(shù)字高頻電路對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生干擾，時(shí)序電路和數(shù)據(jù)處理電路均通過光纖與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)交換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中的時(shí)鐘信號(hào)、觸發(fā)信號(hào)以及數(shù)據(jù)輸出均通過光纖收發(fā)器與高頻時(shí)序電路和數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)光電隔離。數(shù)據(jù)處理電路通過現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)將四個(gè)通道模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成四路16bits并行數(shù)據(jù)，并按順序依次輸入到PC1-6541的16個(gè)i / O采集通道上。
[0027]如圖3所示為四通道數(shù)據(jù)采集電路15的總體框圖，四通道噪聲溫度計(jì)的數(shù)據(jù)采集電路15所使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為Analog Devices Inc.(ADI)公司生產(chǎn)的電荷再分配逐次逼近型(SAR)架構(gòu)芯片AD7626。該芯片不存在管線或流水線延時(shí)，且能得到較高的采樣率和轉(zhuǎn)換位數(shù)，目前廣泛應(yīng)用在需要高采樣率和高分辨率的場(chǎng)合。AD7626采用典型的SAR架構(gòu)，具有16位分辨率，10MSPS吞吐量，可以保證轉(zhuǎn)換無失碼。在輸入頻率fin = 20kHz條件下，信噪比(SNR)和信納比(SINAD)可以達(dá)到91dB，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)達(dá)到105dB。積分非線性(iNL)為±0.45LSB，微分非線性(DNL)為±0.35LSB，共模抑制比(CMRR)在輸入頻率fin = IMHz條件下為68dB，且功耗僅為136mW。
[0028]AD7626在觸發(fā)信號(hào)上升沿到來時(shí)對(duì)差分輸入電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換輸出串行低電壓差分信號(hào)(LVDS)。LVDS可有效提高數(shù)據(jù)傳輸速率，差分輸入可消除外界干擾引起的共模信號(hào)。由于放大電路為單端輸出，因此在AD7626與放大電路之間需要驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分變換。單端轉(zhuǎn)差分選擇采用ADA4932-1和外圍電阻構(gòu)成單端轉(zhuǎn)差分電路，該方案對(duì)外圍電阻精度和匹配情況要求較高，適合驅(qū)動(dòng)高頻信號(hào)輸入，對(duì)模擬信號(hào)輸入極性沒有要求。由于熱噪聲信號(hào)為白噪聲，信號(hào)幅度在零伏上下波動(dòng)，為雙極性，因此選擇該方案搭建驅(qū)動(dòng)電路。
[0029]AD7626輸出有兩種接口模式選擇自時(shí)鐘模式(Self-Clocked mode)。需要3路LVDS引腳(CNV土、CLK土和D±)，每個(gè)ADC輸出的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)字前面都有一個(gè)010序列，根據(jù)010的位置，提取合適的16位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
[0030]時(shí)序電路16負(fù)責(zé)產(chǎn)生五路觸發(fā)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，四路信號(hào)輸入到四路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，一路信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)處理電路。時(shí)序電路采用FPGA實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換電路需要50MHz時(shí)鐘信號(hào)和2MHz觸發(fā)信號(hào)，因此FPGA首先通過內(nèi)部鎖相環(huán)PLLl將輸入的IOMHz信號(hào)倍頻，然后分頻輸出五路時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)。FPGA輸入的IOMHz參考信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器Agilent33250A提供，33250A參考時(shí)鐘與銣鐘IOMHz輸出鎖相，銣鐘頻率最后溯源到GPS，銣鐘頻率穩(wěn)定性為2X10_12。為防止工作過程中產(chǎn)生頻率漂移，系統(tǒng)中的頻率設(shè)備均與參考銣鐘鎖相。如圖4所示時(shí)序電路原理簡(jiǎn)圖，其中cnvpADi:AD7626觸發(fā)信號(hào)；clkADi:AD7626時(shí)鐘信號(hào)，i = 1,2,3,4 ；FPGA cnvp:數(shù)據(jù)處理電路觸發(fā)信號(hào)；Strobe:數(shù)據(jù)處理電路時(shí)鐘信號(hào)。
[0031]圖5為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)之間的通信框圖:利用高速數(shù)字I / O卡和FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的四路串行數(shù)據(jù)首先經(jīng)光纖傳送到FPGA，由FPGA并行轉(zhuǎn)換輸出到數(shù)字i / O卡，最后通過計(jì)算機(jī)直接讀取數(shù)字I / O卡內(nèi)存中采集到的數(shù)據(jù)。
[0032]高速數(shù)字I / O卡采用NI公司生產(chǎn)的PCI卡PC1-6541，NI PC1-6541是一款用于連接數(shù)字電子產(chǎn)品的50MHz數(shù)字波形發(fā)生器/分析儀，該板卡擁有32通道，每個(gè)通道的通道方向可控，其高容量板載內(nèi)存具有觸發(fā)和模式編列的功能，可根據(jù)需要選擇不同大小內(nèi)存容量，最大時(shí)鐘頻率可以達(dá)到50MHz，優(yōu)選PC1-6541卡內(nèi)存容量為64MB。PC1-6541輸入的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)由數(shù)據(jù)處理電路FPGA核心板提供，輸入的時(shí)鐘信號(hào)頻率為8MHz，觸發(fā)信號(hào)頻率為2MHz，Is時(shí)間里，PC1-6541可以采集8M數(shù)據(jù)。
[0033]FPGA數(shù)據(jù)處理電路負(fù)責(zé)將四路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)輸出，并提供數(shù)字I / O卡所需的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)。串行轉(zhuǎn)并行由FPGA程序?qū)崿F(xiàn)，并行輸出的數(shù)據(jù)位數(shù)為16bits，16bits數(shù)據(jù)由PC1-6541卡的0-15通道采集。數(shù)據(jù)處理電路通過Im的電纜與PC1-6541相連。
[0034]本發(fā)明的四輸入-四輸出開關(guān)轉(zhuǎn)換電路通過采用FPGA和磁保持繼電器來實(shí)現(xiàn)。FPGA控制電路優(yōu)選為Cyclone II核心開發(fā)電路，F(xiàn)PGA型號(hào)優(yōu)選為EP2C5T144C8N。磁保持繼電器相比模擬開關(guān)來說，不用外接電源，而且切換簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)影響小。繼電器優(yōu)選采用單線圈磁保持繼電器TQ2-L-4.5V，具有掉電可保持的特性。為減少數(shù)字控制電路對(duì)繼電器切換電路的影響，控制電路與切換電路分別放置在兩個(gè)不同的屏蔽盒里。控制電路通過光纖接收計(jì)算機(jī)串口命令，串口命令經(jīng)過FPGA處理后，產(chǎn)生32路控制信號(hào)控制16個(gè)繼電器進(jìn)行切換。為減少數(shù)字電路干擾和電池消耗，控制電路的電源在系統(tǒng)測(cè)量時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，只有在切換時(shí)才導(dǎo)通，控制電路的電源關(guān)斷同樣通過計(jì)算機(jī)串口和光纖來控制。
[0035]在本發(fā)明的四通道噪聲溫度計(jì)中，合成了頻率范圍從直流到IOMHz的量子電壓波形，基頻fo = 300Hz，頻率間隔600Hz，波形只包括奇次諧波分量，帶寬范圍擴(kuò)展到10MHz。雖然贗噪聲與約翰遜噪聲帶寬不同，但是在約翰遜噪聲中IOMHz以外的頻率信號(hào)對(duì)測(cè)量頻帶內(nèi)信號(hào)帶來的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IX 10-6。而且合成波形的基頻為300Hz，采樣測(cè)量時(shí)混疊回來的信號(hào)頻率與合成信號(hào)的頻率不重合，不直接影響合成信號(hào)的幅度，而是以功率相加的形式引入，因此與測(cè)量白噪聲時(shí)混疊信號(hào)的影響一致，從而在計(jì)算兩噪聲源功率比時(shí)不帶來系統(tǒng)誤差。
[0036]本發(fā)明的四通道噪聲溫度計(jì)采用數(shù)據(jù)采集電路和開關(guān)轉(zhuǎn)換電路的硬件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、時(shí)序電路和數(shù)據(jù)處理電路，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路通過高速數(shù)字I / O卡PC1-6541與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。該系統(tǒng)采用量子電壓贗噪聲作為參考源，采用四路測(cè)量通道，可同時(shí)測(cè)量待測(cè)源和量子電壓噪聲源，達(dá)到相同統(tǒng)計(jì)不確定度所需測(cè)量積分時(shí)間將為雙通道噪聲溫度計(jì)積分時(shí)間的一半。
[0037]可以理解的是，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種以量子電壓為參考的四通道噪聲溫度計(jì)，其包括:待測(cè)噪聲源，參考量子電壓贗噪聲源，與所述待測(cè)噪聲源和參考量子電壓贗噪聲源連接的開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，其特征在于:與所述開關(guān)連接電路相連接的四路放大濾波電路，該四路放大濾波電路與數(shù)據(jù)采集和處理部分的四路采集通道相對(duì)應(yīng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的四通道噪聲溫度計(jì)，其特征在于:所述放大濾波電路包括前置放大電路，第一級(jí)緩沖電路，第二級(jí)緩沖電路和至少一個(gè)濾波器。
3.如權(quán)利要求1所述的四通道噪聲溫度計(jì)，其特征在于:所述濾波器為兩個(gè)無源低通濾波器。
4.如權(quán)利要求1所述的四通道噪聲溫度計(jì)，其特征在于:所述開關(guān)轉(zhuǎn)換電路為四輸入-四輸出開關(guān)轉(zhuǎn)換電路
5.如權(quán)利要求1所述的四通道噪聲溫度計(jì)，其特征在于:所述開關(guān)轉(zhuǎn)換電路包括繼電器切換電路和開關(guān)控制電路。
6.如權(quán)利要求1所述的四通道噪聲溫度計(jì)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采集和處理部分包括數(shù)據(jù)采集電路和時(shí)序電路。
【文檔編號(hào)】G01K7/30GK103674315SQ201310745962
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】屈繼峰, 付云豐, 周琨荔 申請(qǐng)人:中國計(jì)量科學(xué)研究院