SIEMENS 6GK5212-2BB00-2AA3
引言
有多种测量电容的方法。但只有运算电容法适合自动在线测量。应用中使用较多的有直流充放电法和交流法。
从信号处理过程来看，充放电法与交流法并无本质区别。
充放电法的信号处理流程如图1。
相控整流电路对输入噪声信号的频谱产生搬移的作用。低频噪声成分被搬移到高频段，高频噪声成分被搬移到低频段。
相控整流输出的信号将被送入到低通滤波器中处理。输出噪声信号中的高频成分将被滤除掉。因此，相控整流电路输入信号中的低频噪声不会对最终测量结果产生影响。而(2n-1)fc附近的噪声将被搬移到低频出，影响最终测量结果。
为使测量电路有较高的分辨率，应使输入到相控整流电路的信号有较大的幅度，并有较高的信噪比。
前级放大电路，不但将信号放大，同时也引入了噪声。放大电路引入的噪声是由放大电路本身决定的。信号经过一级处理电路后，将加入固定幅度的噪声。因此，在输出信号幅度一
定时，信号的信噪比与信号的平均值成正比。
充放电法，在施加方波激励时，交流放大输出的是窄脉冲，信号占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脉冲信号要较大的带宽，高次谐波两侧的噪声也将被相控整流器搬移到低频段，加大了低频噪声。
交流法，使用单频率正弦信号作为激励。信号平均值大，因而能得到较高的输出信噪比。同时，由于所处理的信号为单一频率正弦信号，可以使用窄带带通放大器，减小放大器引入的噪声，进一步输出信号的信噪比。
交流法测量变换电路可以得到更高的分辨率。而电路结构并不会比充放电法复杂。因此选用交流激励信号来构成本测量系统。
激励电路设计
激励电路输出固定频率的正弦波。要求正弦波频率、幅度、相位恒定，便于同后级相控整流驱动信号同步，便于在大范围内调整与相控整流驱动信号的相对相位。
本设计中，使用高精度、低噪声基准稳压源保证生成的脉冲信号幅度的稳定。使用温补振荡器产生高频高稳定度的信号，通过分频得高频率稳定度、低相位抖动的到控制信号。然后经过带通滤波放大得到激励信号输出。
电压基准源的选择
理想的电压基准源应该是内阻为零，不论电流是流进去还是流出来，都应当保持输出电压恒定。内阻为零的基准源是不存在的，然而内阻只有毫欧数量级的基准源是可以做得到的。基准源的工作原理、参数和选择方法，对于系统设计是一个颇为重要的因素。
·基准源的类型
基准源主要有齐纳二极管、埋入式齐纳二极管和带隙电压基准三种。它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。
齐纳二极管是工作在反向偏置的二极管，需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下，齐纳二极管通常是不适合的。
埋入式齐纳二极管集成基准的噪声比带隙式的低，长期稳定型好，温漂小。但是输出电压高，大约为6~7V，需要较高的供电电压。
带隙式基准的输出电压可以低至1V。现已经有1.235V，1.25V，2.048V，2.5V，4.096V，5V的器件。
·电压基准源的选择
选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是：初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪声等。
噪音是无法补偿的误差，因而基准源的噪音应当低。
输出电压温度迟滞现象(THYS)也是一个不能修正的误差。THYS是25℃温度下，由于温度从热到冷，然后从冷到热变化时引起的输出电压的变化。它的幅度与温度变化的大小成正比。在很多情况下，THYS误差是不重复的，它与电路设计及封装有关。
温度漂移通常是可以修正的误差，因为它是可重复的。高分辨率系统都需要补偿。对一个5V系统，如果要求在整个商用温度范围(0～70℃，以25℃为基准点)保持±1LSB。如果基准源的漂移为1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=225mV。因此1ppm/℃的性能仅适用于整个商用温度范围内的14位系统。常用器件的温度漂移性能为1ppm/℃到100ppm/℃
长期稳定性(LTS)给出了某一种封装或某类器件中潜在的硅片应力或离子迁移的程度。注意在温度和湿度处在极端状态下，电路板清洁度对此参数有很大的影响。还要注意LTS仅在25℃基准温度下有效。
电压基准源流出和吸入电流的能力是另一个重要参数。大多数应用只需要基准源对负载供出电流。许多基准源不能吸入电流。还需注意基准源的带负载能力。
·高性能基准电压源—LTZ1000
LTZ1000和LTZ1000A是一个具有极高稳定性的，带有温度补偿的参考电压源。输出电压为7V；温度漂移0.05ppm/℃；低频噪声1.2mVP-P；长期稳定性2mV/胟Hr。
一个典型的应用如图4。
电压基准源的缓冲放大
在这个环节着重考虑运算放大器的失调电压温度漂移和放大器的低频噪声。
LTC1250是一个高性能低噪声，零温度漂移运算放大器。0.1Hz~1Hz等效输入噪声0.75mVP-P；温度漂移±0.01mV/℃
脉冲形成
脉冲形成的电路原理如图5。
当开关s闭合时，运算放大器同相输入端接地，电阻R2并联在输入信号源与地之间，可将其忽略掉。则此时放大器为单位增益反相放大器。
当开关s断开时，由于运算放大器输入端阻抗很高。电阻R2上的电压降近似等于零，R2可以近似等效为短路。同时由于放大器两输入端虚短的特性，流过电阻R1的电流等于零。因此，R1可以等效为去掉。此时放大器为单位增益同相放大器。
脉冲信号的形成可以用如下公式表示。
uout=uin·GC
输
入信号为电压为5V，并带有噪声的直流信号。
控制信号为：
(n=0,1,2...)
输入电压为常数Vref，uout(t)可用傅氏级数表示为：
可见，输出信号中含有基波和奇次谐波。滤除掉高次谐波即得到所需的单一频率正弦激励信号。正弦信号的幅度由基准电压源决定，频率由控制脉冲决定。
在这个环节，放大器处理的时交流信号，同时信号幅度较大，需要着重考虑的指标有：噪声电压密度，频率响应特性，输出电压摆率。激励环节最终输出的信号将作用在电容(传感器)上，低频信号将被滤除掉。同时放大器的增益很小。因此，放大器的输入失调电压，失调电流，低频噪声等参数可以不考虑。
放大器选用LT1128。LT1128是一个单位增益稳定的低噪声运算放大器。等效输入电压噪声密度最大值为1.1nV/肏z。增益带宽积不小于13MHz。输出电压摆率5V/ms。
在这里输出电压摆率要求不小于。如果取正弦信号频率为500KHz，则要求放大器的输出电压摆率不小于30V/ms。远远高于LT1128的能力。这个问题采用下面的技术解决。
电路中的开关使用一个N沟道MOSFET来实现。
大输出电压摆幅放大技术—运算放大器复合
在这个环节要求运算放大器的等效输入噪声要尽量小，输出电压摆幅、摆率要大，并且大信号开环增益要大。低噪声高性能运算放大器都不能很好的满足要求。而这几项指标中，噪声性能是无法通过补偿改善的。通过增加一个高速的输出驱动级(如图6)可以提高低噪声放大器的输出电压摆率。
在输出级放大器A2的选取上要考虑输出电压摆率要大，放大器带宽要高，频率响应中相位移动要小。运算放大器A2在设计通频带内的相移要小于A1在此范围内的相位裕量值。
输出放大器的增益值等于要求的电压摆率除以A1的最小输出电压摆率值。
A2放大器选用LT1227。LT1227是一个电流反馈宽带运算放大器。140MHz带宽1100V/us输出电压摆率。
1引言
我国的疆域广阔，时区分布不同，海拔以及温度，湿度等气候差异都很大，实时的了解我们所处位置的气候情况对工作和生活是很重要的。尤其对一些野外工作的科研人员来说，需要测试海拔，温度，湿度等物理量作为参考因素。为了测量这些物理量需要我们携带多种测试设备，这对野外工作很不方便。为了实时方便的了解我们所处的海拔高度和天气情况，我们需要有更便捷，功能更齐全的综合测量仪器。同时可以将现场的数据送到PC，以方便今后的进一步分析和处理。
2系统组成以及基本原理
整个综合测试仪主要由五个部分组成。分别是核心控制单元，湿度测量，海拔高度测量，温度测量，以及测量数据显示部分。湿度测量是通过湿度传感器将环境湿度物理量变换为电信号，最终将处理后的模拟信号经过A/D后送到CPU。海拔测量主要是通过间接测量大气压强，经过计算来得出当地的海拔高度，其中也考虑到其他因素的影响而采取了软件修正的方法。温度测量采用数字温度测量芯片DS1820来实现，这是一个应用的比较广泛，也是得到了实践验证，确切可行的一种测量方法。所有采集的物理量经过A/D转换后，在CPU中经过处理，反映出各自代表的物理量后，送到显示电路，以提供使用者信息，也可送到PC，让PC机上的数据分析软件做进一步的处理和存储。
3系统硬件整体设计
系统控制器单元
本设计采用LPC2104作为控制器的控制芯片[1][3]。LPC2104是PHILIPS公司专为嵌入式应用提供的高性价比微控制器解决方案。它采用ARM公司的16位/32位RISC结构，内核是ARM7TDMI-S，CPU操作频率可达60MHz，片上集成：具有ISP和IAP功能的128KBFlash程序存储器、16KB静态RAM、2个UART、1个I2C串行接口、1个SPI串行接口，多达6路输出的PWM、2个定时器，分别具有4路捕获/比较通道、实时时钟及看门狗定时器等，能够与常用的外围设备实现无缝连接，本系统以LPC2104为核心控制电路，对外围的各种前端测量电路，包括湿度测量，温度测量，海拔测量，以及数据显示电路进行无逢整合。其中系统整体框图如图1。
3．1湿度测试电路设计
湿敏测量在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，特别是随着科学技发展，对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作。
在本测量仪中湿度测量电路是由湿敏元件和转换电路，信号调理电路，以及A/D转换电路等组成，它将环境湿度变换为电信号，然后通过A/D转换成数字信号。
在实际应用中，需要同时考虑对湿度传感器进行线性处理和温度补偿，常常采用运算放大器构成湿度测量电路，在图2中Rt是热敏电阻器(20kΩ，B=4100K)；RH为H204C湿度传感器，运算放大器型号为OP07。该电路的湿度电压特性及温度特性表明：在(30％～90％)RH、15℃～35℃范围内，输出电压表示的湿度误差不超过3％RH。下式是湿度测量的原理表达式：
R=R0exp(B/T-AH)
其中H为相对湿度；T为绝对温度；R0为在T=0℃，相对湿度H=0时RH的阻值；A为湿度常数；B为温度常数。
3．2海拔高程测试电路设计
海拔测量的方法主要有两种：一种是GPS，一种是气压检测法。GPS测量是一个比较好的，也比较先进的测量方法，测量结果也非常精确。但是存在着成本较高这个缺点，所以在本系统中采用气压检测的方法。气压测量的原理是依据海拔高度增加气压随之减小的原理，但是这个变化不是线性，而是一个函数，函数关系大致如下：
P=760(e^-(a/7924))
P:气压，毫米汞柱a:海拔,千米。当然，气压还跟季节，空气湿度，气流有关系，要把这些数据也参入计算是很复杂的事。所以在设计中通过采样多个数据进行加权求和。同时在软件设计中考虑进行软件的修正。
在系统设计中，气压测量传感器采用TP051P测量现场气压值，而后通过AD620进行前端放大，放大以后的数据送到ICL7135进行A/D转换。转换后的数据以串行的方式送到CPU进行处理。图2是海拔测量的前端采样以及调理电路。
3．3温度测试电路设计
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。如图4是DS1820与微处理器LPC2104的典型连接电路[5][6]：
3．4 数据显示电路设计
作为测量结果的最终显示，在本地系统中采用了LCD作为本地显示界面[2]，在界面主要包括（1）系统当前状态显示。包括当前工作模式，测量的具体物理量。（2）实时数据轮循显示，更据设定连续测量确定的物理量。其中LCD采用了大连东显公司的1602模块，可以较好的完成系统设计的功能，LCD通过5V电源供电，LCD模块自带负压输出，对比度可调节。最终还可以通过串口将测量数据送到PC机上进行测量数据的进一步显示和分析。
4系统软件设计
系统的软件设计是整个仪器的核心。综测仪软件设计主要包括两个部分的设计：本地CPULPC2104固件程序设计，PC机程序设计。其中本地CPU固件程序设计包括三个部分：整个综测仪的系统初始化，对对前端部分的控制，和PC机进行通讯。整个本地部分的程序设计采用事件驱动中断，和模块化设计的思想。开发环境采用ARM公司提供的ADS开发环境。
本地CPU和PC机之间的通讯方式采用固定长度的消息来进行，其中消息的格式表1：
一个好的上位机软件能够提供记录仪最广泛的支持，通过上位机的支持，键盘等不必要的零件解放了，同时提供出更多的资源以利用[4]。在本综合测量仪系统中，PC机上程序设计主要包括软件界面设计，数据图形化处理，后期数据分析。软件支持是综合仪不可或缺的一部分，其主要功能为：设定测量的物理量，设定测量间隔（2s～24h任意可调），设定停止方式，设定启动时间，设定通讯格式，读取数据并显示测量数据、历史曲线等，并提供打印功能，把数据转化为EXCEL或WORD文档形式等等功能。
5结束语
综合测量仪对野外科研研究，农业及气象分析具有很突出的意义，也可以应用到与气候条件有关的各种行业。经过实验室条件和现场运行的结果表明，所设计的综合测量仪器能够很好的应用予各种科研，将各种功能集于一体，很好的满足了野外工作的要求，经过实践的检验，表明本测量仪具有较强的实用性和推广价值。