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圖1  系統(tǒng)整體框圖

本課題中所需的試驗(yàn)硬件設(shè)備為：

?  NI4351板卡（DAQ），NI4351采用PCI總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信，完成數(shù)據(jù)采集的功能。其中包含一個(gè)24bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)16通道的高速數(shù)據(jù)采集。內(nèi)嵌多路通道掃描開關(guān)以及1mA、25μA的恒流源。

?  PC機(jī)

?  繼電器輸出板卡PCL735及附屬設(shè)備

?  恒溫腔及相關(guān)設(shè)備

?  參考電阻

?  測(cè)溫傳感器

?  帶10位AD的單片機(jī)CPU

?  恒溫電路及其他電路PCB板和相關(guān)設(shè)備

本課題采用Pt100作為測(cè)溫傳感器，其測(cè)量公式如下：

   (1)

對(duì)于工業(yè)常用鉑電阻傳感器(W(100)=1.391)，有：

A=3.96847×10-3/℃

B=－5.847×10-7/℃

C=－4.22×10-12/℃

    因?yàn)楣饪虣C(jī)工作環(huán)境不會(huì)超過(guò)10～30℃，所以在軟件中計(jì)算溫度值時(shí)，根據(jù)上式的第一個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，并舍去負(fù)值。

4  恒溫腔

4.1  恒溫腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    恒溫腔的作用在于為參考電阻提供一個(gè)溫度恒定在22±0.01℃的環(huán)境，穩(wěn)定的參考電阻在這種環(huán)境下，由式(1)，可以消除恒流源漂移對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。

    加熱棒以康銅絲纏繞，置于中心孔洞中，康銅絲長(zhǎng)度160mm，康銅絲的電阻率為50×10^－3Ω/mm，因此可得總電阻為：
 (2)
采用直流5V電壓供電加熱，加熱功率為：
 (3)

    下面分析加熱曲線特性。采集一組加熱的數(shù)據(jù)，從開始加熱時(shí)采集數(shù)據(jù)，到最后恒溫腔的溫度基本穩(wěn)定在50℃左右。對(duì)恒溫腔的特性進(jìn)行分析，得出恒溫系統(tǒng)是一個(gè)一階慣性系統(tǒng)，其特性方程可由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出。

4.2  恒溫腔溫度控制電路

    恒溫腔的控制回路見下圖，由Pspice繪制，并經(jīng)過(guò)仿真。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，輸入的微小電壓改變，如1ppm的阻值變化引起的電壓變化，將準(zhǔn)確地反映在輸出端，由帶10位AD轉(zhuǎn)換器的CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行恒溫控制。

    通常情況下，本儀器工作光刻機(jī)系統(tǒng)中，而光刻機(jī)系統(tǒng)環(huán)境必須保證相對(duì)穩(wěn)定，因此，整個(gè)系統(tǒng)的溫度基本固定在22℃左右。恒溫腔設(shè)計(jì)時(shí)，為了使恒溫腔的溫度控制不會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，且又避免設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，因此我們控制恒溫腔溫度為30±0.01℃，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，即加熱恒溫腔，使溫度逐步升至30℃，并穩(wěn)定在±0.01℃之間，實(shí)現(xiàn)恒溫的控制。恒溫腔溫度控制采用PID控制加鋸齒波整合的方法實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)剛開始加熱時(shí)，測(cè)量當(dāng)前溫度為T0，與標(biāo)準(zhǔn)溫度
30℃之差為△T，經(jīng)PID算法后得到控制量△P，
 (4)

    由于沒(méi)有采用冷卻系統(tǒng)，因此必須保證T始終小于30℃，即△T <0，△P始終小于0，如果以0為加熱器的開關(guān)參考標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)產(chǎn)生極大過(guò)量增益，從而失去恒溫控制。為使加熱控制能達(dá)到無(wú)過(guò)量增益的效果，必須在溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度前就開始控制加熱的開關(guān)占空比。此處引入三角鋸齒波來(lái)對(duì)控制量△P進(jìn)行加權(quán)，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)出加熱開關(guān)控制點(diǎn)，使最終恒溫腔的加熱控制在±0.1℃之間。

5  誤差源因素及措施

5.1  導(dǎo)線電阻

    使用電子傳感器的測(cè)量可能會(huì)受到所在連接導(dǎo)線電阻的影響。在常用的2線或3線測(cè)量電路中，這些電阻及其變化可能引起0.1~1.0℃的誤差。
 
    使用4線電路，可以完全消除導(dǎo)線電阻的影響。在這種設(shè)計(jì)中，傳感器由來(lái)自一組導(dǎo)線的電流驅(qū)動(dòng)，所得的EMF（接觸電勢(shì)）使用另一組導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)量。信號(hào)被發(fā)送到一個(gè)具有極高輸入阻抗的放大器，使流入放大器的電流可以忽略不計(jì)，在高導(dǎo)線電阻的情況下也可準(zhǔn)確地測(cè)量出傳感器電阻。

5.2  接觸電動(dòng)勢(shì)

    電阻傳感器在不同的金屬導(dǎo)線之間有若干接點(diǎn)。這些接點(diǎn)可以產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)，可被看作熱電偶。除非為某種方式被抑制，這種熱電動(dòng)勢(shì)可以干擾傳感器電動(dòng)勢(shì)，并使測(cè)量準(zhǔn)確度降低。

    產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)的原因主要是由于兩種不同的金屬導(dǎo)線焊接在一起而造成的，設(shè)計(jì)中，采用反向電流法來(lái)消除接觸電勢(shì)的影響。其原理如圖3所示。

    每次測(cè)量包括兩次獨(dú)立的測(cè)量，第二次使電流反向通過(guò)傳感器，由于接觸電勢(shì)并不因?yàn)殡娏鞯姆聪蚨淖兎较颍虼丝傻茫?nbsp;
 (5)
將兩式相減并取平均值即可消除接觸電勢(shì)ΔVcon對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響：
 (6)

    進(jìn)行兩次對(duì)立測(cè)量，在第二次測(cè)量時(shí)，只需將激勵(lì)電流進(jìn)行反相。接觸電動(dòng)勢(shì)引起的誤差在這兩次測(cè)量中是相反的。將這2次結(jié)果進(jìn)行平均就可以消除誤差。這種技術(shù)十分有效，它可消除來(lái)自接觸電動(dòng)勢(shì)的誤差，同時(shí)避免與交流有關(guān)的誤差。

圖3  反向電流法原理圖

5.3  電抗

    使用交流激勵(lì)電源可在溫度測(cè)量中造成誤差，原因是傳感器經(jīng)常會(huì)表現(xiàn)出明顯的感抗和容抗。使用直流電路就不易受到電抗的影響。NI4351使用直流電路，因此不受電抗因素的影響。直流電路允許在開始測(cè)量一個(gè)樣值之前有足夠的時(shí)間使電流和電壓進(jìn)行穩(wěn)定。

5.4  泄漏

    電阻傳感器易受周圍的絕緣材料的電泄漏的影響。泄漏通常在低溫時(shí)較為明顯，因?yàn)榻^緣層可以從空氣中吸收濕氣。另外在高溫下，由于絕緣材料的電導(dǎo)相對(duì)升高，這時(shí)的泄漏也很明顯。泄漏以及介電吸收和渦流等效應(yīng)在交流電路中比在直流電流中要顯著得多。通過(guò)直流激勵(lì)電源，NI4351可以在各種條件下獲得極佳的準(zhǔn)確度。

5.5  自熱
 
    電阻測(cè)量中的另外一個(gè)問(wèn)題是自熱現(xiàn)象。自熱現(xiàn)象是由激勵(lì)電流施加到傳感器上散熱功率造成的。這會(huì)使得傳感器的溫度比正常高。NI4351通過(guò)使用小電流（1mA或25uA）將自熱效應(yīng)降低到最低來(lái)取得較高的準(zhǔn)確度。電流可在很寬的范圍內(nèi)、以極高的分辨率進(jìn)行設(shè)定。將電流設(shè)定到任意值就可以使自熱誤差得到控制、測(cè)量和消除。

5.6  部件漂移

    典型電阻測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度受到電氣部件穩(wěn)定性的嚴(yán)重影響。為了有效消除板卡提供的恒流源漂移對(duì)測(cè)量的影響，采用參考電阻的方法。

    鉑電阻為無(wú)源器件，必須提供激勵(lì)電流以產(chǎn)生可被DAQ板卡采樣的電壓信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用NI-DAQ卡上的板載恒流源1mA或25uA，通過(guò)傳感器兩端，但由于板載恒流源的不穩(wěn)定性以及時(shí)間漂移，將造成測(cè)量精度的下降。
為此，引入?yún)⒖茧娮瑁潆娐穲D如圖4所示。

圖4  參考電阻電路

    工作時(shí)，首先使電流通過(guò)參考電阻Rf和傳感器RT，分別測(cè)得Vf1和VT1，然后將電流反向，測(cè)得Vf2和VT2，以消除接觸電勢(shì)的影響，假定恒流源Iexc在切換時(shí)間內(nèi)保持不變，則：
(7)
   (8)
兩式相比，可得：(9)

    可見，電流的影響通過(guò)引入?yún)⒖茧娮瓒玫较?BR>
    然而，由于參考電阻同樣會(huì)受到環(huán)境溫度的改變而發(fā)生阻值變化，因此采用穩(wěn)定度極高的參考電阻，如100Ω、 <10-5的錳銅線電阻，使之處于恒定溫度的環(huán)境（恒溫腔）中，期望其溫度在30 ± 0.1℃，以確保參考電阻阻值變化極小。

5.7  噪聲和分辨率

    在任何測(cè)量電路中都會(huì)有噪聲的存在。過(guò)量的噪聲會(huì)使測(cè)量值隨時(shí)間隨機(jī)變化，這樣就很難檢測(cè)到被檢測(cè)參數(shù)的較小變化。過(guò)量的噪聲會(huì)限制測(cè)量?jī)x器的分辨率。

    電氣噪聲來(lái)自多種地方。較小的噪聲由測(cè)量電路中的電阻和半導(dǎo)體器件產(chǎn)生。一些噪聲是ADC的有限分辨率造成的。來(lái)自內(nèi)部或外部的電氣或電磁干擾也可能引起噪聲。雖然不可能完全消除噪聲，但可以采取一些步驟來(lái)將其降低，如：使用低噪聲的部件，選擇有較高分辨率的ADC，使用屏蔽來(lái)阻止電磁干擾到達(dá)敏感電路。為了進(jìn)一步降低噪聲，還應(yīng)該在這個(gè)電路中使用濾波和電磁干擾抑制器件。CPU還可以使用數(shù)字濾波來(lái)除去大部分的剩余噪聲。使用數(shù)字濾波的一個(gè)缺點(diǎn)是它可能會(huì)使儀器對(duì)被測(cè)量電阻或溫度變化的反映較慢。

5.8  非線性度

    將實(shí)際電阻比之間的曲線關(guān)系的彎曲部分視作非線性度。它們由數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及電源和放大器造成。為了將非線性度降低至最低，采取一下3個(gè)步驟：首先，選擇可以獲得的最好部件，例如ADC為雙斜率積分型，它具有比其它精密積分或Σ－ΔADC至少好10倍的線性度。其次，所使用的測(cè)量技術(shù)本身可以抑制大部分的非線性度。由于相反極性的值平均，非線性度的零次誤差（即漂移）2次誤差和更高的偶次分量也被消除。剩下的3次和更高的奇次分量，次數(shù)越高其幅度就降得越多。再次就是對(duì)3次非線性度用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行修正。ADC校正參數(shù)即用于此目的。

6  信號(hào)處理

6.1  均值的估計(jì)

    將N個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為均值的估計(jì) ，即
(10)
設(shè)，下面對(duì)該估計(jì)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。估計(jì) 的數(shù)學(xué)期望為
(11)

6.2  樣本方差
(12)

6.3  儀器系統(tǒng)分析

    在進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)之前，首先需要了解NI4351恒流源和各個(gè)通道的穩(wěn)定狀況。這里利用后面編寫的程序，在一個(gè)測(cè)量通道上接入一個(gè) <10-5的錳銅電阻，對(duì)其提供NI4351板卡上的1mA電流源信號(hào)，對(duì)在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行分析，了解恒流源的值、漂移狀況、噪聲的性質(zhì)，以便為消除噪聲信號(hào)采取措施。

    把100Ω（實(shí)際99.998Ω）， <10-5的錳銅電阻，由1mA電流源提供電流，按照4線制方式接在通道0上，在測(cè)得較短時(shí)間內(nèi)的一組288個(gè)信號(hào)后，然后利用Matlab對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

    這個(gè)概率分布通過(guò)圖7可以近似為高斯分布，即數(shù)據(jù)在出現(xiàn)的概率上為高斯分布；而在頻率域由圖6可以看作均勻分布；圖5中可以看出，在相關(guān)域信號(hào)為脈沖信號(hào)。綜上所述，在加載1mA恒流源后，通道上的噪聲可以看作為高斯白噪聲。對(duì)25uA恒流源進(jìn)行上面3種分析，結(jié)果類似。

圖5  原始信號(hào)圖和自相關(guān)函數(shù)圖

圖6  原始信號(hào)圖和功率譜密度圖

圖7  分布概率分析圖

    在上面的分析中可以看出在短時(shí)間內(nèi)，測(cè)量穩(wěn)定性極好的電阻值，得到的測(cè)量中包含的噪聲是高斯白噪聲。從數(shù)據(jù)中又能夠看出，隨著采樣時(shí)間的加長(zhǎng)，數(shù)據(jù)將會(huì)向一定的方向緩慢變化（上面使用的測(cè)量值是逐漸變大）。
因此，為了減小高斯白噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響，對(duì)大量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)窗的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理作為溫度顯示值。得到值的方差是直接采樣值方差的，測(cè)量效果將得到極大的提高。

    如前文所述，要提高精度，需要對(duì)大量的動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)組進(jìn)行平均處理。

    對(duì)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)組進(jìn)行平均處理即是加矩形窗的過(guò)程，這里簡(jiǎn)單討論一下矩形窗對(duì)測(cè)量的影響。

    設(shè)矩形窗時(shí)域表達(dá)式w(n)=RN(n)，窗譜為：
(13)
幅度函數(shù)為：(14)

主瓣寬度為，旁瓣寬度比主瓣低13dB，最小帶阻衰減21dB。

    矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)通過(guò)了矩形窗。這種窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象

7  軟件設(shè)計(jì)

7.1  軟件總體功能模塊

首先介紹軟件的整體功能模塊，如圖8所示。

圖8  軟件的整體功能模塊圖

軟件的主要界面有：
?  主界面，即多通道循環(huán)采樣界面。在這個(gè)界面設(shè)置采樣的通道，參考電阻，系統(tǒng)密碼，并控制采樣的開始和停止。
?  波形顯示畫面，可顯示選中的通道的采樣數(shù)據(jù)波形和數(shù)值。
?  參數(shù)設(shè)置畫面，選擇通道的數(shù)據(jù)平滑時(shí)間和通道傳感器系數(shù)。
?  實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面，顯示正在采樣的通道的時(shí)間和數(shù)據(jù)，以表格的形式顯示，指針始終指向最后一行。
?  系統(tǒng)處理畫面，選擇要保存數(shù)據(jù)的通道和要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，并保存到相應(yīng)的指定文件中。
?  輔助界面，選擇包括修改密碼畫面，退出系統(tǒng)畫面等多個(gè)界面。

7.2  繼電器掃描線路圖

    所有的電阻包括參考電阻和所有通道上的溫度傳感器，都由NI4351板卡的1mA或25uA的恒流源電源進(jìn)行供電，繼電器采用研華公司的PCL735板卡，每個(gè)繼電器線圈都有一個(gè)常開和常閉觸點(diǎn)。接線圖如圖9所示。

圖9  繼電器控制圖

    上圖中0，1，2，……11對(duì)應(yīng)的是研華PCL735繼電器板卡的12個(gè)通道。“0”～“7”對(duì)應(yīng)的8個(gè)傳感器通道，控制輸入到NI4351板卡0～7通道的輸入數(shù)據(jù)，這8個(gè)通道采用常閉觸點(diǎn)。當(dāng)需要接通某個(gè)通道的傳感器時(shí)，其相應(yīng)繼電器接通，其常閉觸點(diǎn)斷開，短路環(huán)隨即斷開，而不需要接通某個(gè)通道的傳感器時(shí)，其相應(yīng)的繼電器斷開，其常閉觸點(diǎn)接通，從而斷開傳感器線路，即不測(cè)量相應(yīng)的通道的數(shù)據(jù)。

    “8”和“9”用于控制數(shù)據(jù)循環(huán)采樣時(shí)電流的正反向切換，它們?yōu)?，即繼電器接通時(shí)，正向電流接通；它們?yōu)?，即繼電器為0時(shí)，反相電流接通。“10”和“11”用于切換參考電阻和電流源，它們?yōu)?時(shí)，接通25uA的電流源，它們?yōu)?時(shí)，接通1mA的電流源，這兩個(gè)通道采用常閉觸點(diǎn)。

7.3  數(shù)據(jù)采集流程圖（如圖10所示）

7.4  每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集處理

    在循環(huán)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，第一個(gè)時(shí)間段采集的N個(gè)數(shù)據(jù)放在該通道的第一個(gè)數(shù)組中，第二個(gè)時(shí)間段采集的N個(gè)數(shù)據(jù)放在該通道的第二個(gè)數(shù)組中，以此類推，第M個(gè)時(shí)間段采集的N個(gè)數(shù)據(jù)放在該通道的第M個(gè)數(shù)組中。然后進(jìn)行復(fù)位，即在第M＋1個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)放在第一個(gè)數(shù)組中，如此進(jìn)行循環(huán)。每個(gè)通道采集的數(shù)據(jù)共有M×N個(gè)，然后進(jìn)行平均，得到的數(shù)據(jù)作為顯示值。

    這種數(shù)據(jù)處理方式可以理解為在M個(gè)時(shí)間段中，采集的數(shù)據(jù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)流，當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)在下一個(gè)時(shí)間段將流動(dòng)到下一個(gè)數(shù)據(jù)采集組，在第二個(gè)時(shí)間段流動(dòng)到倒數(shù)第二個(gè)數(shù)據(jù)采集組中，以此類推，而在第M個(gè)時(shí)間將流動(dòng)到倒數(shù)第一個(gè)數(shù)據(jù)采集組中，在第M＋1個(gè)時(shí)間將流出，并丟棄。作為測(cè)量值的數(shù)據(jù)是當(dāng)前時(shí)間直至前M個(gè)時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到的值。由于當(dāng)前的值和以前采集的數(shù)據(jù)將以此往下流動(dòng)，得到的是一個(gè)實(shí)時(shí)更新的動(dòng)態(tài)的平均值。

圖10  數(shù)據(jù)采集流程圖