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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作為測溫傳感器，其測量公式如下：

   (1)

對于工業(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)境不會超過10～30℃，所以在軟件中計(jì)算溫度值時，根據(jù)上式的第一個公式進(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測量準(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。對恒溫腔的特性進(jìn)行分析，得出恒溫系統(tǒng)是一個一階慣性系統(tǒng)，其特性方程可由測量數(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)過仿真。實(shí)際測試過程中，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)境必須保證相對穩(wěn)定，因此，整個系統(tǒng)的溫度基本固定在22℃左右。恒溫腔設(shè)計(jì)時，為了使恒溫腔的溫度控制不會受到環(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)啟動時，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，測量當(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)，則會產(chǎn)生極大過量增益，從而失去恒溫控制。為使加熱控制能達(dá)到無過量增益的效果，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對控制量△P進(jìn)行加權(quán)，同時根據(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量可能會受到所在連接導(dǎo)線電阻的影響。在常用的2線或3線測量電路中，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，傳感器由來自一組導(dǎo)線的電流驅(qū)動，所得的EMF（接觸電勢）使用另一組導(dǎo)線進(jìn)行測量。信號被發(fā)送到一個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)確地測量出傳感器電阻。

5.2  接觸電動勢

    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)生接觸電動勢，可被看作熱電偶。除非為某種方式被抑制，這種熱電動勢可以干擾傳感器電動勢，并使測量準(zhǔn)確度降低。

    產(chǎn)生接觸電動勢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，采用反向電流法來消除接觸電勢的影響。其原理如圖3所示。

    每次測量包括兩次獨(dú)立的測量，第二次使電流反向通過傳感器，由于接觸電勢并不因?yàn)殡娏鞯姆聪蚨淖兎较?，因此可得?nbsp;
 (5)
將兩式相減并取平均值即可消除接觸電勢ΔVcon對測量結(jié)果的影響：
 (6)

    進(jìn)行兩次對立測量，在第二次測量時，只需將激勵電流進(jìn)行反相。接觸電動勢引起的誤差在這兩次測量中是相反的。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，它可消除來自接觸電動勢的誤差，同時避免與交流有關(guān)的誤差。

圖3  反向電流法原理圖

5.3  電抗

    使用交流激勵電源可在溫度測量中造成誤差，原因是傳感器經(jīng)常會表現(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量一個樣值之前有足夠的時間使電流和電壓進(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)相對升高，這時的泄漏也很明顯。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。通過直流激勵電源，NI4351可以在各種條件下獲得極佳的準(zhǔn)確度。

5.5  自熱
 
    電阻測量中的另外一個問題是自熱現(xiàn)象。自熱現(xiàn)象是由激勵電流施加到傳感器上散熱功率造成的。這會使得傳感器的溫度比正常高。NI4351通過使用小電流（1mA或25uA）將自熱效應(yīng)降低到最低來取得較高的準(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、測量和消除。

5.6  部件漂移

    典型電阻測量儀器的準(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測量的影響，采用參考電阻的方法。

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

圖4  參考電阻電路

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

    可見，電流的影響通過引入?yún)⒖茧娮瓒玫较?BR>
    然而，由于參考電阻同樣會受到環(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

    在任何測量電路中都會有噪聲的存在。過量的噪聲會使測量值隨時間隨機(jī)變化，這樣就很難檢測到被檢測參數(shù)的較小變化。過量的噪聲會限制測量儀器的分辨率。

    電氣噪聲來自多種地方。較小的噪聲由測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)字濾波來除去大部分的剩余噪聲。使用數(shù)字濾波的一個缺點(diǎn)是它可能會使儀器對被測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  信號處理

6.1  均值的估計(jì)

    將N個樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為均值的估計(jì) ，即
(10)
設(shè)，下面對該估計(jì)進(jìn)行質(zhì)量評估。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恒流源和各個通道的穩(wěn)定狀況。這里利用后面編寫的程序，在一個測量通道上接入一個 <10-5的錳銅電阻，對其提供NI4351板卡上的1mA電流源信號，對在較短的時間內(nèi)測得的信號進(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，在測得較短時間內(nèi)的一組288個信號后，然后利用Matlab對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

    這個概率分布通過圖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)域信號為脈沖信號。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25uA恒流源進(jìn)行上面3種分析，結(jié)果類似。

圖5  原始信號圖和自相關(guān)函數(shù)圖

圖6  原始信號圖和功率譜密度圖

圖7  分布概率分析圖

    在上面的分析中可以看出在短時間內(nèi)，測量穩(wěn)定性極好的電阻值，得到的測量中包含的噪聲是高斯白噪聲。從數(shù)據(jù)中又能夠看出，隨著采樣時間的加長，數(shù)據(jù)將會向一定的方向緩慢變化（上面使用的測量值是逐漸變大）。
因此，為了減小高斯白噪聲對測量精度的影響，對大量動態(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，測量效果將得到極大的提高。

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

    對采集的動態(tài)數(shù)據(jù)組進(jìn)行平均處理即是加矩形窗的過程，這里簡單討論一下矩形窗對測量的影響。

    設(shè)矩形窗時域表達(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通過了矩形窗。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)平滑時間和通道傳感器系數(shù)。
?  實(shí)時數(shù)據(jù)畫面，顯示正在采樣的通道的時間和數(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)的通道和要存儲數(shù)據(jù)的個數(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，每個繼電器線圈都有一個常開和常閉觸點(diǎn)。接線圖如圖9所示。

圖9  繼電器控制圖

    上圖中0，1，2，……11對應(yīng)的是研華PCL735繼電器板卡的12個通道。“0”～“7”對應(yīng)的8個傳感器通道，控制輸入到NI4351板卡0～7通道的輸入數(shù)據(jù)，這8個通道采用常閉觸點(diǎn)。當(dāng)需要接通某個通道的傳感器時，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，而不需要接通某個通道的傳感器時，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)采樣時電流的正反向切換，它們?yōu)?，即繼電器接通時，正向電流接通；它們?yōu)?，即繼電器為0時，反相電流接通?！?0”和“11”用于切換參考電阻和電流源，它們?yōu)?時，接通25uA的電流源，它們?yōu)?時，接通1mA的電流源，這兩個通道采用常閉觸點(diǎn)。

7.3  數(shù)據(jù)采集流程圖（如圖10所示）

7.4  每個通道的數(shù)據(jù)采集處理

    在循環(huán)數(shù)據(jù)采集過程中，第一個時間段采集的N個數(shù)據(jù)放在該通道的第一個數(shù)組中，第二個時間段采集的N個數(shù)據(jù)放在該通道的第二個數(shù)組中，以此類推，第M個時間段采集的N個數(shù)據(jù)放在該通道的第M個數(shù)組中。然后進(jìn)行復(fù)位，即在第M＋1個時間段的數(shù)據(jù)放在第一個數(shù)組中，如此進(jìn)行循環(huán)。每個通道采集的數(shù)據(jù)共有M×N個，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個時間段中，采集的數(shù)據(jù)是一個動態(tài)的數(shù)據(jù)流，當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)在下一個時間段將流動到下一個數(shù)據(jù)采集組，在第二個時間段流動到倒數(shù)第二個數(shù)據(jù)采集組中，以此類推，而在第M個時間將流動到倒數(shù)第一個數(shù)據(jù)采集組中，在第M＋1個時間將流出，并丟棄。作為測量值的數(shù)據(jù)是當(dāng)前時間直至前M個時間的數(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，得到的是一個實(shí)時更新的動態(tài)的平均值。

圖10  數(shù)據(jù)采集流程圖