0 引言

    中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心在建的40 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)量電路的測(cè)量精度。

    對(duì)于這樣一個(gè)高精度高穩(wěn)定度的模擬測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)來自高精度DCCT，它不僅有反映被測(cè)參數(shù)的測(cè)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(cè)量電路所能準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量電路中3類主要元器件在系統(tǒng)噪聲中的貢獻(xiàn)。控制系統(tǒng)的帶寬為1 Hz^[2]，所以測(cè)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(cè)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V_n為電阻熱噪聲。e_N為輸入電壓噪聲。I_BN和I_BI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G_AD為ADC的實(shí)際增益值，V_OS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V_IN=V_ref=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(cè)量電路精度的另一個(gè)重要因素。同樣是針對(duì)測(cè)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(cè)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V_ref=±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(cè)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(cè)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(cè)量電路進(jìn)行測(cè)量，所以這里只針對(duì)零輸入情況下進(jìn)行測(cè)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(cè)量，再將測(cè)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(cè)量最終的輸出波形。兩種測(cè)量可以同時(shí)進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果見圖5和圖6所示。一共測(cè)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(cè)量。本文針對(duì)磁體電流的測(cè)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(cè)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(cè)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230026；2.中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，安徽 合肥230026）