Lake Shore 372 型交流电阻桥及其匹配阻抗电流源

      介绍

     由于测量系统将共模噪声转换为差模噪声，极低温度电阻测量多年来一直受到自热和测量误差的双重问题的困扰。 本应用说明重点介绍获得专利的 Lake Shore 解决方案，以解决与低温、高电阻（和低热容量）测量相关的这个非常现实的问题。 首先，让我们提出问题，然后提出解决方案。

      问题：单端（不平衡）电流源

      传统交流电桥电流源设计基于以测量地为参考的单端电流源。 给定无噪声环境，此拓扑结构运行良好。 然而，如果我们在画面中引入环境噪声，就会出现难以检测和量化的问题，甚至更难以消除。

      环境噪声可能来自多种来源和多种频率，但几乎所有测量都必须处理来自主电源的 50/60 Hz 相关噪声分量。 希望通过适当的布线和屏蔽技术尽可能多地减少这些信号的耦合。 在很多情况下，这仍然不足以解决所有问题，但为什么呢？ 答案在于单端接地电流源本身无法抑制共模环境噪声。

      假设一个 100 kΩ 电阻连接到一个单端电流源。 电阻接地端对环境噪声的阻抗是多少？ 从实用的角度来看，该阻抗为 0 Ω。 同样，电阻器电流源驱动端对环境噪声的阻抗是多少？ 该阻抗将是电阻器本身和电流源输出阻抗的并联组合。 如果电流源设计合理，即其输出阻抗接近无穷大，则并联组合对电阻器驱动侧的环境噪声保持 100 kΩ。

      显然，在被测电阻器每一侧的节点处，阻抗存在极大差异。

      如果环境噪声通过相等的阻抗（共模耦合）等同地耦合到电阻器的两端，则耦合的结果在电阻器的每一端完全不同。接地端的电压变化很小，因为它呈现的阻抗实际上是 0 欧姆。 然而，电阻器的驱动端可以自由变化，因为 100 kΩ 电阻允许耦合噪声及其源阻抗。 这种拓扑结构（接地源）固有地将共模环境噪声直接通过电阻器转换为差模噪声。 一旦做到这一点，就无法将噪声与电阻两端的所需信号分开，除了噪声与来自电流源的差模信号之间的频率差异。

      忽略外部滤波的影响，即使使用高质量的平衡仪表放大器也无法解决这种污染，无论仪表放大器本身的共模抑制比 (CMRR) 是多少。 第二个结果是共模感应噪声信号通过 100 kΩ 电阻器产生的电流。 在 100 kΩ 电阻实际上是 RTD 的低温应用中，这种拓扑会导致传感器自热，因此，与传感器周围环境的实际温度相比，会错误地导致高温读数。

      这种拓扑的等效电路表示（图 1a）很容易显示相关问题。I1 和 R1 代表传统交流电桥的电流源（诺顿等效）。 请注意，它接地（测量公共端），使该电流源成为“单端”或不平衡的。为了下面的讨论，该电流源的输出值设置为 0 A（因此从我们的 电路），因为我们关心的是这种拓扑结构对共模信号的反应，而不是对用于测量电阻器的差模交流电流的反应。 同样，电流源输出阻抗 (R1) 在低频时接近无穷大，也可以忽略不计。 RU 表示低温环境中低温恒温器深处的 RTD。

      移除 I1 和 R1 可将电路简化为一个一端接地的电阻器。 图 1b 显示了电阻器 RU 以及用于耦合共模环境噪声的等效电路。 共模环境噪声通过 C1 和 C2 耦合到 RU 的两端。

      C1 和 C2 代表噪声电压源到 RU 两端的电容耦合，类似于屏蔽电缆的电缆电容（很容易为 1 nF）产生的环境耦合，屏蔽层在不同于测量公共端的位置终止（可能是低温恒温器的情况） ) 而电流源测量公共端连接到电源线地（在传统交流电桥设计中经常这样做）。 在这种情况下，理想情况下，低温恒温器应连接到电源线地，以最大限度地减少这种地电位差异。实际上，低温恒温器和测量公共端之间的噪声电压存在一些差异。

      为便于仿真，假定 60 Hz 时的 1 V 是两者之间的差异。 1 V 不是不合理的水平； 有时通过实验观察到高达 10 V 的电压。 当 C2 接地短路时，RU（RTD）两端的噪声电压可以用分压表示为

表格1

      由此产生的噪声功率肯定足以显着加热 RTD，从而导致低温下的温度读数出现误差。 在这种情况下，如何知道传感器是否自热，自热多少？ 在较低的激励下运行交流电阻电桥并不能解决这个问题，因为有害的激励来自电桥电子设备外部。 如果在交流电阻桥的激励频率下通过带通滤波器对电压测量进行滤波，则可能无法观察到 60 Hz 的噪声激励。有时，未知量作为激励的函数进行测量，并观察到与线性度的偏差 ;这种偏差与激励功率的自热有关，与破坏测量的噪声无关。

      通常使用高阻抗仪表放大器来测量 RU 两端的电压。 该放大器将读取 RU 两端的差分电压并忽略 RU 的共模电压。 重要的是要了解单端电流源的拓扑会自动将共模噪声转换为 RTD 上的差模（差分）电压。 到那时，损坏就完成了，世界上最好的仪器放大器根本无法解决两个独立的差模信号源之间的问题，除非它们在频率上是分开的。尽管锁定放大器技术降低了对环境耦合噪声的敏感度 测量的电气部分实质上，事实仍然是来自噪声源的 RTD 的自热仍然存在。 有一个解决方案......

      解决方案：匹配阻抗（平衡）电流源

      让我们在图 1 的电路中添加一个互补电流源，其幅度与第一个电流源成镜像但极性相反（图 2）。

      我们立即观察到平衡电流源产生的主要差异。 RU 的接地不再存在，即噪声源没有返回路径。 因此，无论 C₁ 和 C₂ 的值如何，它都无法在 RU 上产生任何噪声。 事实上，它们不必相等，因为噪声源所能做的就是相对于地面等电位地上下移动它们。不幸的是，这不是全部。 我们确实必须将电桥连接到真实实验中，在这种情况下，我们必须再次修改简单的噪声电路。

      外部布线环境的影响

      根据实际环境，我们的未知电阻器 RU 的每一侧都可能存在显着的接地布线阻抗。 电缆电容是这些阻抗的主要贡献者。 这些在图 4 中被描绘为 C₃ 和 C₄。

      这两条接地路径会降低仪器的共模抑制性能，除非每对阻抗匹配或它们的叉积相等。 极端情况是 C₃ 或 C₄ 与其他三个电容器相比较大。 这为我们提供了图 1b 的接地示例（通过大电容器）的等效项，我们再次将大部分共模噪声转换为差模信号，其幅度取决于分压。 这个例子如何在实验上存在？ 一个例子是一根导线使用长同轴电缆，另一根导线使用短同轴电缆。 一个更常见的例子是在几个未知电阻器之间切换，并为这些未知电阻器提供一个公共引线，这可能会导致与该返回路径相关的电容显着增加。

      然而，通常情况下，C₃ 与 C₄ 的数量级相同。

      如果 C₁ 等于 C₂，那么我们可以绘制 C₃ 和 C₄ 之间不平衡的影响及其对实验装置的共模抑制的影响。 同样，我们忽略电流源的输入电阻，因为它们对于各种 C₃/C₁ 值非常高。 这已在图 5 中完成，其中 C₃/C₁ = 0.1、1 和 10，C₃/C₄ 的比率在 0.2 和 5 之间变化。显然，如果我们还允许 C₁ 和 C₂ 变化，问题会变得更加复杂。

      请注意，共模抑制比的降低不是由于仪器，而是由于与实验装置相关的实验接线。 幸运的是，Lake Shore 372 型交流电阻电桥可以帮助解决这个问题。

      保护驱动器

      372 型交流电阻电桥提供保护驱动输出，以内部引线承载的信号缓冲版本驱动四根引线（用于四引线测量）中每根引线的屏蔽层。 这将有效电缆电容（如图 4 中的 C₃ 和 C₄ 所示）减小到几乎为零。 因此，由这些电容引起的效应不平衡也大大减少。保护驱动器仅限于与 372 型本身直接连接，并包含在 372 型和扫描仪之间提供的长三轴电缆中。 防护驱动器不适用于扫描仪和传感器之间的接线。 旨在将扫描仪物理定位在靠近这些传感器的位置，以最大限度地减少对防护驱动器的需求。

      理论与实际操作

      等效电路分析肯定表明，如果单端电流源存在共模环境噪声，则存在问题。 在实践中，这个问题经常出现。 连接到计算机接口会导致温度读数莫名其妙地上升。 安装屏蔽室是为了尽量减少电容耦合环境噪声的存在。 定制滤波器旨在降低现有共模噪声的影响。 工作时间是围绕嘈杂的设备或附近的无线电台运行而安排的。 低温系统根本无法达到预期的温度。这些都是这种基本拓扑及其无法抑制共模噪声的所有可能症状。 作者推测，许多安装存在的错误尚未被确定为共模噪声问题。

      Lake Shore 372 型采用获得专利的平衡电流源设计，允许对来自 RTD 两端的环境噪声呈现相等（且非常高）的阻抗。结果，电阻器的两端响应环境耦合噪声 以平衡的方式。 这意味着共模噪声仍然是共模噪声，允许下面的仪器放大器实际抑制共模噪声，因为它打算这样做。 第二个，也许是最重要的好处是，电阻器没有因环境噪声而产生的电流流过它。 因此，在不使用屏蔽室、特殊过滤器、本地计算机光学隔离等的情况下，环境噪声的自热会大大降低，并且在大多数情况下会低于检测水平。这会减少解决问题所需的时间和材料成本 ，并且显然是一个重要且及时的优势。

      模拟很有用，但 Model 372 在现实中的表现如何？为图 3 选择的值应用于 372 型。所选电容器不匹配，但在 5% 以内。实际上，有效耦合电容的匹配可能不是很紧密。设置了一个 100 Hz 的正弦波发生器来提供共模噪声（图 3 中的电压 V₁）。电缆长度相等（3 英尺），但没有特别注意匹配它们。 RU 的一侧有接地线（以有效模拟不平衡操作），共模正弦源被调高，直到 372 型仪器放大器的输出（×1000 增益）= 10 Vpeak。此级别表示 RU 上有 10 mVpeak 或 1 nWpeak。当接地被释放并且 372 型允许按设计工作时，仪器放大器输出下降到 40 mVpeak，表明电阻两端的电压为 40 µVpeak，电阻两端的功率下降到 16 fWpeak。这是 RU 两端电压的 -48 dB 改进和 RU 两端功率的 -96 dB 巨大改进。

      用一个 1 nF 电容器替换一个 5 nF 电容器重复该测试，以查看在共模噪声信号的极度不平衡耦合方面是否仍然存在优势。 在这种情况下，改进没有那么大（如预期的那样），但仍然导致 RU 两端的电压提高 -26 dB，共模源在 RU 两端耗散的功率显着降低 -52 dB。

      用 10 MΩ 电阻替换 C₁ 和 C₂ 进行的测试产生 -50 dB 电压和 -100 dB 功率降低。使用 100 MΩ 电阻（20% 匹配）的结果是 -30 dB 电压和 -60 dB 功率降低 RU 相关的共同- 模式噪声耦合。

      根据记录，372 型仪器放大器的最小测量 CMRR 为 -120 dB。如果放大器的一侧接地并且您试图抑制共模噪声干扰，这意味着非常小。 单端电流源拓扑会严重限制您在 4 引线测量中抑制共模信号的能力。 那么您唯一的选择就是通过外部手段尽量减少共模信号的存在。 372 型为您提供了在存在共模噪声的情况下进行有效测量的测量拓扑。

      共模发射也减少了

      与共模噪声抑制（敏感性）相反，可以将其视为共模发射。 正如接地电流源将共模噪声转换为差模噪声一样，它也会从通过 RU 的正常测量电流产生的施加在 RU 上的电压发出共模噪声。 这是来自接地参考点的电场发射，很容易污染同一附近的同步测量。 通常在两个电桥之间使用不同的频率来最小化这种交叉耦合误差。 同样，372 型解决了这个问题。

      在平衡系统中，RU 两端的合成电压也与理想情况下为零的合成电场平衡，因为 RU 的每一端电压相等但电压相反。 即使不能完全消除，也大大减少了同一附近两个桥之间的交叉耦合。 即便如此，Model 372 还是配备了五个备用工作频率，以应对平衡操作可能受到影响的情况。

      隔离测量公共端

      如前几节所述，接地环路是共模噪声的常见来源。这种情况经常出现在与电源接地共享测量值并将两者都连接到仪器机箱的仪器中。 一旦仪器与低温恒温器连接，低温恒温器通过无数的管道件和相关的机械操作泵有自己的接地，就很容易存在具有显着电流电位的接地环路。 尽管 372 型在抑制由此类环路产生的共模噪声方面表现出色，但仍需要从安装中消除接地环路和相关电流，从而将噪声降至绝对最低水平。

      既定的仪器设计要求仪器的机箱通过电源线连接到电源线地。鉴于此，372 型通过测量电子设备的内部光学耦合提供了答案。 372 型测量公共端未连接到电源线接地或主机架。整个模拟测量电路“浮动”在提供给模拟部分的测量公共端的任何电位上。正确安装强烈建议测量公共端通过来自扫描仪外壳的单根电线（即测量公共端，而不是电源接地）和/或连接在扫描仪端（或372 型（如果未使用扫描仪）和低温恒温器或实验结束。如果 372 型的测量公共端未绑定，结果可能会增加电噪声。潜在的接地环路被 372 型内部的光学隔离断开，没有电流流过导致噪声。

      注意：底盘和测量公共端之间存在一个 10 MΩ 电阻器，用于在测量公共端未正确连接的情况下释放任何静电积聚。 如果在非常敏感的安装中认为有必要，可以移除该电阻器。

      计算机接口（IEEE-488 和 RS-232）以电源线地为参考地。 这是可以容忍的，因为这些信号电平要高得多，而且连接设备通常也以电源线为参考。 此处可能出现的小电流（肯定会出现接地环路）被限制在旨在处理合理噪声水平的接口上。 它不会影响测量部分，因为它们是光学隔离的。

      隔离加热器输出

      372 型的加热器输出与电源线接地和测量公共端电气隔离。 这允许在接地加热器应用中浮动使用输出，从而消除意外电流路径。

      注意：底盘和加热器公共端之间还存在一个 10 MΩ 电阻器，用于在加热器公共端未正确连接的情况下释放任何静电积聚。 如果认为有必要，可以移除该电阻器。

      安装建议

      372 型交流电阻电桥为用户提供了一系列功能，以最大程度地减少环境噪声问题。安装前，应检查接线以确保合理的电气平衡。应测量测量中使用的四根导线中的每根导线的电阻，以确保很少或没有电阻泄漏到低温恒温器外壳或其他接线。同样，因为我们正在处理 AC 测量，我们还需要平衡布线的电容元件。可以使用一个简单的电容表来检查四个引线中的每一个和低温恒温器外壳之间的接线电容（也应该是测量公共端）。理想情况下，所有四根引线的电容应该相似。对于特别长的电缆线路，372 型有四个可用的保护驱动器（每个测量导线一个）以减少使用长三轴电缆的电缆电容的影响。在最好的安装中，共模抑制程度与平衡程度成正比，这取决于布线实践。即使在最差的平衡条件下，372 型仍会比其他交流电桥的传统单端电流源抑制更多的环境噪声。

      注意：如果多个传感器的接线使用公共引线（以节省额外电线的运行），Lake Shore 372 型交流电阻电桥无法提供噪声优势，因为这种接线方法要求公共引线接地。 372 型在电流源接地引线的情况下表现良好，但由于外部平衡受损，显然失去了抑制共模噪声的能力。

      结论

      有许多因素会影响低激励电阻测量的准确性和可重复性，尤其是在电阻超过 10 kΩ 和低温（低温）时。 传统的交流电阻桥电路拓扑通常使用接地（或单端）电流源。 单端电流源允许电阻测量误差，这些误差通常难以检测和消除。 单端拓扑固有地将电阻器上感应的共模噪声转换为差模噪声，差模噪声难以克服，但作为误差源经常被忽视。 Lake Shore 372 型交流电阻电桥使用获得专利的匹配阻抗电流源来防止共模噪声转化为测量误差。 该电流源与其他降噪功能相结合，使 372 型对环境噪声的敏感度低于同类产品。