一种以量子电压为参考的四通道噪声温度计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种以量子电压为参考的四通道噪声温度计，其包括：待测噪声源，参考量子电压赝噪声源，与所述待测噪声源和参考量子电压赝噪声源连接的开关转换电路，其特征在于：与所述开关连接电路相连接的四路放大滤波电路，该四路放大滤波电路与数据采集和处理部分的四路采集通道相对应连接。该四通道噪声温度计可以有效地减少测量所需积分时间，降低系统偏差，将在热力学温度和玻尔兹曼常数测量研究中发挥巨大作用。
【专利说明】一种以量子电压为参考的四通道噪声温度计
【技术领域】
[0001]本发明属于温度测量领域，尤其是涉及一种以量子电压为参考的四通道噪声温度计。
【背景技术】
[0002]温度是表征物体冷热程度的物理量，是大量微观粒子热运动激烈程度的宏观体现。物质的许多物理特性都与温度有密切关系，为此准确的测量温度对于科学实验、工业生产以及人们的生活等都具有重大意义。
[0003]温度准确测量的前提是建立温标，温标是将温度数值化的标尺，它规定了温度数值化的一套方法，并定义了温度的单位。温标的发展在经历了三个历史阶段后，目前国际上普遍采用的国际实用温标。国际温标实现的基础依赖于热力学温度的准确测量，虽然在过去的几十年里，世界各国的研究人员发展了各种测温方法和研究手段来精确测量热力学温度，但是到目前为止，全世界只有少数几个发达国家的计量机构和研究单位具备利用基准温度计测量热力学温度的条件。
[0004]约翰逊噪声温度计是当前少数几种可以直接测量热力学温度的测温方法之一，约翰逊噪声也称为热噪声，当温度在绝对零度以上时，由于导体内部电荷或载流子的随机热扰动，在导体两端将产生由热噪声引起的电位起伏，约翰逊噪声温度计通过测量这种热噪声电压来获得热力学温度。与现行国际温标中的测温方法相比，约翰逊噪声温度计不需要进行分度，测量与传感器的材料无关，不受测量环境的压力影响，而且传感器的阻值几乎不影响测量精度，有望成为一种理想的测温方式。
[0005]约翰逊噪声是一种功率谱密度为常数的随机信号，准确测量它需要花费较长的统计平均时间来消除约翰逊噪声信号随机波动，长时间的统计平均是制约噪声温度计无法实时测量的主要因素。传统的双通道噪声温度计大都采用两个热噪声源，一个为参考源，另一个为待测源。两个约翰逊噪声源的统计平均时间延长了测量时间，而且两个噪声源之间无法同时匹配功率和阻抗，测量电路的非线性限制了其测量水平的提高。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明的目的在于提供一套量子电压赝噪声源标定的四通道噪声温度计。
[0007]本发明的四通道噪声温度计，其包括:待测噪声源，参考量子电压赝噪声源，与所述待测噪声源和参考量子电压赝噪声源连接的开关转换电路，其特征在于:与所述开关连接电路相连接的四路放大滤波电路，该四路放大滤波电路与数据采集和处理部分的四路采集通道相对应连接。
[0008]其中，所述放大滤波电路包括前置放大电路，第一级缓冲电路，第二级缓冲电路和至少一个滤波器。
[0009]其中，所述滤波器为两个无源低通滤波器。[0010]其中，所述开关转换电路为四输入-四输出开关转换电路[0011 ] 其中，所述开关转换电路包括继电器切换电路和开关控制电路。
[0012]其中，所述数据采集和处理部分包括数据采集电路和时序电路。
[0013]该温度计采用量子电压赝噪声作为参考源，采用四路测量通道，可同时测量待测源和量子电压噪声源，达到相同统计不确定度所需测量积分时间将为双通道噪声温度计积分时间的一半。与双通道噪声温度计相比，新的四通道噪声温度计可以有效地减少测量所需积分时间，降低系统偏差，将在热力学温度和玻尔兹曼常数测量研究中发挥巨大作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1四通道 噪声温度计示意图；
[0015]图2单通道数据采集电路框图；
[0016]图3四通道数据采集电路的总体框图；
[0017]图4时序电路的原理简图；
[0018]图5模数转换电路与计算机之间的通信框图
【具体实施方式】
[0019]下面将参照附图对本发明的实施方案进行详细说明。
[0020]如图1所示四通道噪声温度计示意图，其包括待测噪声源10，参考量子电压赝噪声源11，开关转换电路12，四路放大滤波电路13以及数据采集和处理部分14。其中，在放大滤波电路13中，Preamp表示前置放大电路，Bufferl为第一级缓冲电路，Buffer2为第二级缓冲电路，每路放大滤波电路使用了无源低通滤波器I和滤波器2，优选两个滤波器均为11阶巴特沃斯低通滤波器，每个滤波器的截止频率为800kHz。两个高阶低通滤波器可以快速衰减ADC混叠回来的高频信号，并确保混叠信号低于测量带宽内(10~800kHz)信号至少 120dB。
[0021]从图1中可以看出，参考量子电压赝噪声源11和待测噪声源10两端各自有两路差分输出，两噪声源四路输出通过开关转换电路分别输入到后面四路放大滤波电路13，每两路放大滤波电路13组成一组测量通道，两组测量通道交替测量参考量子电压赝噪声源和待测噪声源。对于两组测量通道来说，测温原理是一样的，下面对其中一组测量通道进行分析。
[0022]假设通过量子电压合成程序计算得到的量子电压赝噪声功率谱密度为v^a/;r，通
过测量待测噪声源和参考量子电压赝噪声源功率比0/6可以直接计算出待测温度T，计算公式如(I)式所示:
~^2 飞
[0023]T- VT vreal,T⑴
v2 4kR(T)
y r,T
[0024]式中，T是待测温度，@和$分别为测量得到的待测噪声源和量子电压赝噪声源功率。通过选择合适长度的传输线，匹配两噪声源传输函数，使两噪声源功率比在测量频率带宽内匹配。
[0025]如图1所示，四通道噪声温度计硬件电路包括四输入-四输出开关转换电路12、放大滤波电路13和数据采集电路15。其中，开关转换电路12包括继电器切换电路和开关控制电路，数据采集电路15包括模数转换电路、时序电路和数据处理电路。
[0026]数据采集电路15是四通道噪声温度计最为重要的组成部分之一，四通道噪声温度计的每路采集通道采用具有相同电路结构的数据采集电路，如图2所示的单个通道数据采集电路框图，其包括:模数转换电路、时序电路和数据处理电路。为防止数字高频电路对模数转换电路产生干扰，时序电路和数据处理电路均通过光纤与模数转换电路进行信号交换。模数转换电路中的时钟信号、触发信号以及数据输出均通过光纤收发器与高频时序电路和数据处理电路进行连接，实现光电隔离。数据处理电路通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA)将四个通道模数转换得到的串行数据转换成四路16bits并行数据，并按顺序依次输入到PC1-6541的16个i / O采集通道上。
[0027]如图3所示为四通道数据采集电路15的总体框图，四通道噪声温度计的数据采集电路15所使用的模数转换芯片为Analog Devices Inc.(ADI)公司生产的电荷再分配逐次逼近型(SAR)架构芯片AD7626。该芯片不存在管线或流水线延时，且能得到较高的采样率和转换位数，目前广泛应用在需要高采样率和高分辨率的场合。AD7626采用典型的SAR架构，具有16位分辨率，10MSPS吞吐量，可以保证转换无失码。在输入频率fin = 20kHz条件下，信噪比(SNR)和信纳比(SINAD)可以达到91dB，无杂散动态范围(SFDR)达到105dB。积分非线性(iNL)为±0.45LSB，微分非线性(DNL)为±0.35LSB，共模抑制比(CMRR)在输入频率fin = IMHz条件下为68dB，且功耗仅为136mW。
[0028]AD7626在触发信号上升沿到来时对差分输入电压进行转换，并转换输出串行低电压差分信号(LVDS)。LVDS可有效提高数据传输速率，差分输入可消除外界干扰引起的共模信号。由于放大电路为单端输出，因此在AD7626与放大电路之间需要驱动电路进行单端转差分变换。单端转差分选择采用ADA4932-1和外围电阻构成单端转差分电路，该方案对外围电阻精度和匹配情况要求较高，适合驱动高频信号输入，对模拟信号输入极性没有要求。由于热噪声信号为白噪声，信号幅度在零伏上下波动，为双极性，因此选择该方案搭建驱动电路。
[0029]AD7626输出有两种接口模式选择自时钟模式(Self-Clocked mode)。需要3路LVDS引脚(CNV土、CLK土和D±)，每个ADC输出的转换数据字前面都有一个010序列，根据010的位置，提取合适的16位转换数据。
[0030]时序电路16负责产生五路触发信号和时钟信号，四路信号输入到四路模数转换电路，一路信号输入到数据处理电路。时序电路采用FPGA实现，因为模数转换电路需要50MHz时钟信号和2MHz触发信号，因此FPGA首先通过内部锁相环PLLl将输入的IOMHz信号倍频，然后分频输出五路时钟和触发信号。FPGA输入的IOMHz参考信号由信号发生器Agilent33250A提供，33250A参考时钟与铷钟IOMHz输出锁相，铷钟频率最后溯源到GPS，铷钟频率稳定性为2X10_12。为防止工作过程中产生频率漂移，系统中的频率设备均与参考铷钟锁相。如图4所示时序电路原理简图，其中cnvpADi:AD7626触发信号；clkADi:AD7626时钟信号，i = 1,2,3,4 ；FPGA cnvp:数据处理电路触发信号；Strobe:数据处理电路时钟信号。
[0031]图5为模数转换电路与计算机之间的通信框图:利用高速数字I / O卡和FPGA实现数据传输，模数转换电路输出的四路串行数据首先经光纤传送到FPGA，由FPGA并行转换输出到数字i / O卡，最后通过计算机直接读取数字I / O卡内存中采集到的数据。
[0032]高速数字I / O卡采用NI公司生产的PCI卡PC1-6541，NI PC1-6541是一款用于连接数字电子产品的50MHz数字波形发生器/分析仪，该板卡拥有32通道，每个通道的通道方向可控，其高容量板载内存具有触发和模式编列的功能，可根据需要选择不同大小内存容量，最大时钟频率可以达到50MHz，优选PC1-6541卡内存容量为64MB。PC1-6541输入的时钟和触发信号由数据处理电路FPGA核心板提供，输入的时钟信号频率为8MHz，触发信号频率为2MHz，Is时间里，PC1-6541可以采集8M数据。
[0033]FPGA数据处理电路负责将四路模数转换电路的串行数据转为并行数据输出，并提供数字I / O卡所需的时钟和触发信号。串行转并行由FPGA程序实现，并行输出的数据位数为16bits，16bits数据由PC1-6541卡的0-15通道采集。数据处理电路通过Im的电缆与PC1-6541相连。
[0034]本发明的四输入-四输出开关转换电路通过采用FPGA和磁保持继电器来实现。FPGA控制电路优选为Cyclone II核心开发电路，FPGA型号优选为EP2C5T144C8N。磁保持继电器相比模拟开关来说，不用外接电源，而且切换简单，对信号影响小。继电器优选采用单线圈磁保持继电器TQ2-L-4.5V，具有掉电可保持的特性。为减少数字控制电路对继电器切换电路的影响，控制电路与切换电路分别放置在两个不同的屏蔽盒里。控制电路通过光纤接收计算机串口命令，串口命令经过FPGA处理后，产生32路控制信号控制16个继电器进行切换。为减少数字电路干扰和电池消耗，控制电路的电源在系统测量时处于关断状态，只有在切换时才导通，控制电路的电源关断同样通过计算机串口和光纤来控制。
[0035]在本发明的四通道噪声温度计中，合成了频率范围从直流到IOMHz的量子电压波形，基频fo = 300Hz，频率间隔600Hz，波形只包括奇次谐波分量，带宽范围扩展到10MHz。虽然赝噪声与约翰逊噪声带宽不同，但是在约翰逊噪声中IOMHz以外的频率信号对测量频带内信号带来的影响远远小于IX 10-6。而且合成波形的基频为300Hz，采样测量时混叠回来的信号频率与合成信号的频率不重合，不直接影响合成信号的幅度，而是以功率相加的形式引入，因此与测量白噪声时混叠信号的影响一致，从而在计算两噪声源功率比时不带来系统误差。
[0036]本发明的四通道噪声温度计采用数据采集电路和开关转换电路的硬件设计，数据采集电路包括模数转换电路、时序电路和数据处理电路，其中模数转换电路通过高速数字I / O卡PC1-6541与计算机进行通信。该系统采用量子电压赝噪声作为参考源，采用四路测量通道，可同时测量待测源和量子电压噪声源，达到相同统计不确定度所需测量积分时间将为双通道噪声温度计积分时间的一半。
[0037]可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【权利要求】
1.一种以量子电压为参考的四通道噪声温度计，其包括:待测噪声源，参考量子电压赝噪声源，与所述待测噪声源和参考量子电压赝噪声源连接的开关转换电路，其特征在于:与所述开关连接电路相连接的四路放大滤波电路，该四路放大滤波电路与数据采集和处理部分的四路采集通道相对应连接。
2.如权利要求1所述的四通道噪声温度计，其特征在于:所述放大滤波电路包括前置放大电路，第一级缓冲电路，第二级缓冲电路和至少一个滤波器。
3.如权利要求1所述的四通道噪声温度计，其特征在于:所述滤波器为两个无源低通滤波器。
4.如权利要求1所述的四通道噪声温度计，其特征在于:所述开关转换电路为四输入-四输出开关转换电路
5.如权利要求1所述的四通道噪声温度计，其特征在于:所述开关转换电路包括继电器切换电路和开关控制电路。
6.如权利要求1所述的四通道噪声温度计，其特征在于:所述数据采集和处理部分包括数据采集电路和时序电路。
【文档编号】G01K7/30GK103674315SQ201310745962
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】屈继峰, 付云丰, 周琨荔 申请人:中国计量科学研究院