CN114184856A - 一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计 - Google Patents

一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计 Download PDF

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CN114184856A CN202111481107.9A CN202111481107A CN114184856A CN 114184856 A CN114184856 A CN 114184856A CN 202111481107 A CN202111481107 A CN 202111481107A CN 114184856 A CN114184856 A CN 114184856A
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周琨荔
屈继峰
韩琪娜
施杨
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Abstract

本发明提供了一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计。热噪声检测装置包括：差分信号源，传感器电阻，第一差分放大器和第二差分放大器；传感器电阻，用于产生功率与所在环境温度存在关联的约翰逊噪声信号；差分信号源，用于产生流经传感器电阻的差分电流；第一差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第一放大信号；第二差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第二放大信号。本发明采用了基于差分信号源和差分放大器的全差分结构，具有更强的共模抑制能力，能够在强电磁干扰环境中有效降低互相关功率谱中的电磁干扰，进而提高温度的测量准确度。

Description

一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计
技术领域
本发明涉及叠加型噪声温度计技术领域，具体而言，涉及一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计。
背景技术
噪声温度计通过测量传感器电阻产生的约翰逊噪声功率实现传感器所在环境热力学温度的测量。它是一种原级测温方法，有望解决极端环境的温度测量难题。约翰逊噪声功率可以表示为：
V2＝4kBTRΔf
其中，kB为玻尔兹曼常数；T为电阻所在环境的温度；R为电阻阻值；Δf为带宽。
现有叠加型噪声温度计将包含多个频率分量的参考噪声信号以单端电流的形式注入传感器电阻。其中，单端电流源可以等效为一个单端电压源与一个内阻的串联，或者，一个单端电压源与两个内阻的串联。三种可能的系统结构如图1所示。以两个单端放大器作为前端的互相关测量电路可以实现传感器电阻约翰逊噪声和参考噪声的同时放大。后端模块主要负责滤波、模数转换、互相关运算、计算温度值等。
现有叠加型噪声温度计采用单端信号源、单端放大器进行测量。当待测温度环境不存在电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)或电磁干扰很弱时，它可以得到干净的频谱。
然而，当现有叠加型噪声温度计工作在包含开关电源、加热线圈、电动机等的强电磁干扰环境时，基于单端信号源、单端放大器的结构在共模噪声抑制方面的能力有限，这导致测量到的互相关功率谱包含较多电磁干扰，利用包含较多电磁干扰的互相关功率谱计算温度值会增加测量误差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计，具有更强的抗电磁干扰能力，能够在强电磁干扰环境中有效降低互相关功率谱中的电磁干扰，进而提高温度计的测量准确度。
第一方面，本发明提供了一种基于全差分结构的热噪声检测装置，该装置具体包括：
差分信号源，传感器电阻，第一差分放大器和第二差分放大器；
所述传感器电阻，用于产生功率与所在环境温度存在关联的约翰逊噪声信号；
所述差分信号源，用于产生流经传感器电阻的差分电流；所述第一差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第一放大信号；所述第二差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第二放大信号；
其中，所述第一差分放大器的正极输入端口和负极输入端口分别连接在所述传感器电阻的一端和另一端；所述第二差分放大器的正极输入端口和负极输入端口分别连接在所述传感器电阻的一端和另一端；所述第一差分放大器的接地端与所述第二差分放大器的接地端均与接地电极相连；所述差分信号源的接地端与接地电极相连。
在一实施例中，所述差分信号源包括：第一单端电流源和第二单端电流源；
所述第一单端电流源的正极端分别与所述传感器电阻的一端、所述第一差分放大器的正极输入端口和所述第二差分放大器的正极输入端口相连接；所述第一单端电流源的负极端分别与所述第二单端电流源的正极端和接地电极相连；
所述第二单端电流源的负极端分别与所述传感器电阻的另一端、所述第一差分放大器的负极输入端口和所述第二差分放大器的负极输入端口相连接。
在一实施例中，所述差分信号源包括：第一单端电压源、第一内阻、第二单端电压源和第二内阻；
所述第一内阻的一端与所述第一单端电压源的正极端相连；所述第一内阻的另一端分别与所述传感器电阻的一端、所述第一差分放大器的正极输入端口和所述第二差分放大器的正极输入端口相连接；
所述第二内阻的一端与所述第二单端电压源的负极端相连；所述第二内阻的另一端分别与所述传感器电阻的另一端、所述第一差分放大器的负极输入端口和所述第二差分放大器的负极输入端口相连接；
所述第一单端电压源的负极端分别与所述第二单端电压源的正极端和接地电极相连。
在一实施例中，所述差分信号源包括：多通道信号发生器、第三内阻和第四内阻；
所述第三内阻一端和所述信号发生器的一个输出端相连；
所述第四内阻一端和所述信号发生器的另一个输出端相连；
所述第三内阻的另一端和所述第四内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述多通道信号发生器的两个通道分别用于输出相位相反的差分信号；所述多通道信号发生器的两个输出端均包含多个频率分量。
在一实施例中，所述差分信号源包括：信号发生器、第一单端转差分放大器、第五内阻和第六内阻；
所述信号发生器的输出端与所述第一单端转差分放大器的输入端相连；
所述第五内阻一端和所述第一单端转差分放大器的一个输出端相连；
所述第六内阻一端和所述第一单端转差分放大器的另一个输出端相连；
所述第五内阻的另一端和所述第六内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述第一单端转差分放大器，用于将输入的参考电压转换为相位相反的差分电压；所述信号发生器的输出端包含多个频率分量。
在一实施例中，所述差分信号源包括：第一现场可编程门阵列、第一数模转换器、第二数模转换器、第七内阻和第八内阻；
所述第一现场可编程门阵列，用于对第一数模转换器、第二数模转换器进行时序控制；
所述第一数模转换器，用于将第一现场可编程门阵列输出的一路波形信息进行数模转换；
所述第二数模转换器，用于将第一现场可编程门阵列输出的另一路波形信息进行数模转换；
所述第七内阻一端和所述第一数模转换器的输出端相连；
所述第八内阻一端和所述第二数模转换器的输出端相连；
所述第七内阻的另一端和所述第八内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述第一数模转换器和所述第二数模转换器的输出端均包含多个频率分量。
在一实施例中，所述差分信号源包括：第二现场可编程门阵列、第三数模转换器、第二单端转差分放大器、第九内阻和第十内阻；
所述第二现场可编程门阵列，用于对第三数模转换器进行时序控制；
所述第三数模转换器，用于将第二现场可编程门阵列输出的波形信息进行数模转换；
第二单端转差分放大器，用于将第三数模转换器输出的电压信号转换为相位相反的差分电压；
所述第九内阻一端和所述第二单端转差分放大器的一个输出端相连；
所述第十内阻一端和所述第二单端转差分放大器的另一个输出端相连；
其中，所述第九内阻的另一端和所述第十内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述第三数模转换器的输出端包含多个频率分量。
在一实施例中，所述第一单端电流源和所述第二单端电流源的输出端均包含多个频率分量。
在一实施例中，所述第一单端电压源和所述第二单端电压源的输出端均包含多个频率分量。
第二方面，本发明提供了一种噪声温度计，该噪声温度计具体包括：
低通滤波器、模数转换器、互相关运算器、处理器和噪声检测器；
其中，所述噪声检测器为上述实施例中的热噪声检测装置。
本发明提出的一种基于全差分结构的热噪声检测装置及噪声温度计，采用了差分信号源、差分放大器的全差分结构，具有更强的抗电磁干扰能力，能够有效降低互相关功率谱中的电磁干扰，进而提高温度的测量精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术中具有单端结构的叠加型噪声温度计的三种结构示意图；
其中，图1(A)为现有技术中具有单端电流源的叠加型噪声温度计的结构示意图；图1(B)为现有技术中具有一个单端电压源与一个内阻串联的叠加型噪声温度计的结构示意图；图1(C)为现有技术中具有一个单端电压源与两个内阻串联的叠加型噪声温度计的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置的第一结构示意图；
图3为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置的第二结构示意图；
图4为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置中差分信号源的一种具体实施方式的第一结构示意图；
图5为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置中差分信号源的一种具体实施方式的第二结构示意图；
图6为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置中差分信号源的一种具体实施方式的第三结构示意图；
图7为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置中差分信号源的一种具体实施方式的第四结构示意图；
图8为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置中差分信号源的一种具体实施方式的第五结构示意图；
图9为本发明提供的一种基于全差分结构的热噪声检测装置中差分信号源的一种具体实施方式的第六结构示意图；
图10为现有技术中单端结构的热噪声检测装置测量的互相关功率谱的示意图；
图11为本发明提供基于全差分结构的热噪声检测装置测量的互相关功率谱的示意图；
图12为现有技术中单端结构的热噪声检测装置测量的功率比值的示意图；
图13为本发明提供基于全差分结构的热噪声检测装置测量的功率比值的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种基于全差分结构的热噪声检测装置，参见图2所示，该热噪声检测装置具体包含：差分信号源，传感器电阻，第一差分放大器和第二差分放大器；
传感器电阻，用于产生功率与所在环境温度存在关联的约翰逊噪声信号；
差分信号源，用于产生流经传感器电阻的差分电流；第一差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第一放大信号；第二差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第二放大信号；
其中，第一差分放大器的正极输入端口和负极输入端口分别连接在传感器电阻的一端和另一端；第二差分放大器的正极输入端口和负极输入端口分别连接在传感器电阻的一端和另一端；第一差分放大器的接地端(G)与第二差分放大器的接地端(G)均与接地电极(GND)相连；差分信号源的接地端(G)与接地电极(GND)相连。
在本实施例中的差分信号源包含多个频率分量，例如同时包含250Hz、750Hz、1250Hz、…、999750Hz。
传感器电阻RT处于待测环境中，用于产生功率与所在环境温度存在关联的热噪声信号，基于热噪声信号能够确定该传感器电阻RT所处待测环境的温度T。
第一差分放大器的输入端口和第二差分放大器的输入端口均包含：正极(+)、负极(-)和接地端(G)。差分放大器(第一差分放大器和第二差分放大器)的特点是放大差模电压，抑制共模电压，并且具有较高的共模抑制比。
如图2所示，第一差分放大器的正极(+)和第二差分放大器的正极均连接到了端点A，第一差分放大器的负极(-)和第二差分放大器的负极(-)均连接到了端点B。
第一差分放大器和第二差分放大器测量到的噪声包括了：幅度为VRT的电压信号和传感器电阻RT对应的约翰逊噪声。
其中，幅度为VRT的电压信号是由差分电流ID流经传感器电阻产生的。
从上述描述可知，本发明实施例提供的基于全差分结构的热噪声检测装置，采用了差分信号源和差分放大器的全差分结构，具有更强的抗电磁干扰能力，能够降低互相关功率谱中的电磁干扰，进而提高温度计的测量准确度。
参见图3，在上述实施例的基础上，提供了基于全差分结构的热噪声检测装置的另一种结构示意图，具体包括：
传感器电阻RT由电阻RT1和电阻RT2串联组成，电阻RT1和电阻RT2串联时的公共端点C、两个差分放大器(第一差分放大器和第二差分放大器)的接地端(G)均与接地电极(GND)相连接。
可以理解的是，电阻RT1的阻值和RT2的阻值之和等于传感器电阻RT的阻值。
在本发明的一实施例，参见图4，提供了上述基于全差分结构的热噪声检测装置的实施例中差分信号源的另一种具体实现方式，具体包括：
差分信号源包括：第一单端电流源和第二单端电流源；
第一单端电流源的正极端分别与传感器电阻的一端、第一差分放大器的正极输入端口和第二差分放大器的正极输入端口相连接；第一单端电流源的负极端分别与第二单端电流源的正极端和接地电极(GND)相连；
第二单端电流源的负极端分别与传感器电阻的另一端、第一差分放大器的负极输入端口和第二差分放大器的负极输入端口相连接。
本实施例中，差分信号源包括了两个单端电流源，分别为：第一单端电流源和第二单端电流源。第一单端电流源输出的电流和第二单端电流源输出的电流具有幅度相同、相位相差180°的特征。
第一单端电流源和第二单端电流源均包含多个频率分量，例如：同时包含250Hz、750Hz、1250Hz、…、999750Hz。
在本实施例中，第一单端电流源和第二单端电流源具有幅度相同、相位相差180°的特征，因此，差分放大器(第一差分放大器和第二差分放大器)测量到的噪声包括：幅度为VRT的电压信号和传感器电阻RT对应的约翰逊噪声。
其中，幅度为VRT的电压信号是由第一单端电流源和第二单端电流源对应的差分电流ID流经传感器电阻产生的。
在本发明的一实施例中，参见图5，提供了上述基于全差分结构的热噪声检测装置的实施例中差分信号源的一种具体实现方式，具体包括：
第一单端电压源、第一内阻、第二单端电压源和第二内阻；
第一内阻的一端与第一单端电压源的正极端相连；第一内阻的另一端分别与传感器电阻的一端、第一差分放大器的正极输入端口和第二差分放大器的正极输入端口相连接；
第二内阻的一端与第二单端电压源的负极端相连；第二内阻的另一端分别与传感器电阻的另一端、第一差分放大器的负极输入端口和第二差分放大器的负极输入端口相连接；
第一单端电压源的负极端分别与第二单端电压源的正极端和接地电极(GND)相连。
本实施例中，差分信号源包含了两个单端电压源，分别为：第一单端电压源和第二单端电压源。第一单端电压源和第二单端电压源具有合成信号幅度相同、相位相差180°的特征，其中，第一单端电压源的幅值V1＝VC/2，第二单端电压源的幅值V2＝-VC/2。其中，VC为第一单端电压源正极与第二单端电压源负极之间的电压。需要说明的是，第一单端电压源和第二单端电压源均包含多个频率分量，例如：同时包含250Hz、750Hz、1250Hz、…、999750Hz。
本实施例中的，与第一单端电压源串联的内阻为第一内阻RF1，与第二单端电压源串联的内阻为第二内阻RF2，且第一内阻RF1与第二内阻RF2处于同样的温度环境。
第一内阻RF1的阻值和第二内阻RF2的阻值通常远远大于传感器电阻RT的阻值。例如：第一内阻RF1的阻值和第二内阻RF2的阻值为在20kΩ以上。
可以理解的是，第一单端电压源V1＝VC/2、第二单端电压源V2＝-VC/2、内阻RF(第一内阻RF1和第二内阻RF2)、传感器电阻RT形成了一个环路，它们处于串联状态。内阻RF、传感器电阻RT形成了分压网络。因此，差分放大器(第一差分放大器和第二差分放大器)测量到的噪声包括：参考电压VC经过分压网络后的信号、内阻RF(第一内阻RF1和第二内阻RF2)对应约翰逊噪声经过分压网络后的信号、传感器电阻RT对应约翰逊噪声经过分压网络后的信号。
在本发明的一实施例中，参见图6，提供了上述基于全差分结构的热噪声检测装置的实施例中差分信号源的一种具体实现方式，具体包括：
多通道信号发生器、第三内阻和第四内阻；
第三内阻一端和信号发生器的一个输出端相连；
第四内阻一端和信号发生器的另一个输出端相连；
第三内阻的另一端和第四内阻的另一端分别与传感器电阻的两端相连；
其中，多通道信号发生器的两个通道分别用于输出幅度相同且相位相反的差分信号；多通道信号发生器的两个输出端均包含多个频率分量。
在本实施例中，多通道信号发生器采用商用的双通道任意波形发生器。将商用的双通道任意波形发生器的两个通道作为两个单端电压源。
两个单端电压源、第三内阻和第四内阻能够组成如图5所示的差分信号源，具体过程在此不再赘述。具体可以参见图5以及结合图5对应的实施例的详细描述。
在本发明的一实施例中，参见图7，提供了上述基于全差分结构的热噪声检测装置的实施例中差分信号源的一种具体实现方式，具体包括：
信号发生器、第一单端转差分放大器、第五内阻和第六内阻；
信号发生器的输出端与第一单端转差分放大器的输入端相连；
第五内阻一端和第一单端转差分放大器的一个输出端相连；
第六内阻一端和第一单端转差分放大器的另一个输出端相连；
第五内阻的另一端和第六内阻的另一端分别与传感器电阻的两端相连；
其中，第一单端转差分放大器，用于将输入的参考电压转换为两路幅度相同且相位相反的差分电压；信号发生器的输出端包含多个频率分量。
在本实施例中，信号发生器采用商用任意波形发生器。商用任意波形发生器的任意一个通道产生包含多个频率分量的参考电压信号。该通道的输出连接至第一单端转差分放大器的输入端。第一单端转差分放大器具有两个幅度相等、相位相差180°的输出端口。第一单端转差分放大器能够将输出的参考电压信号进行转换并通过输出端口输出幅度相等、相位相差180°的电压信号。
可以理解的是，将第一单端转差分放大器的两个输出端口作为两个单端电压源。可以由两个单端电压源、第五内阻和第六内阻组成如图5所示的差分信号源，具体过程在此不再赘述。具体可以参见图5以及结合图5对应的实施例的详细描述。
需要说明的是，本实施例中的第一单端转差分放大器可以采用单个集成化芯片实现，也可以通过多个运算放大器搭建的分立电路实现。
在本发明的一实施例中，参见图8，提供了上述基于全差分结构的热噪声检测装置的实施例中差分信号源的一种具体实现方式，具体包括：
第一现场可编程门阵列、第一数模转换器、第二数模转换器、第七内阻和第八内阻；
第一现场可编程门阵列，用于对第一数模转换器、第二数模转换器进行时序控制；
第一数模转换器，用于将第一现场可编程门阵列输出的一路波形信息进行数模转换；
第二数模转换器，用于将第一现场可编程门阵列输出的另一路波形信息进行数模转换；
第七内阻一端和第一数模转换器的输出端相连；
第八内阻一端和第二数模转换器的输出端相连；
第七内阻的另一端和第八内阻的另一端分别与传感器电阻的两端相连；
其中，第一数模转换器和第二数模转换器的输出端均包含多个频率分量。
在本实施例中，现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)将波形信息发送至两个数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)。两个数模转换器(第一数模转换器和第二数模转换器)采用了两种不同的波形信息，这两种波形信息各自对应的电压信号具有幅度相等、相位相差180°的特征。也就是说，两个数模转换器(第一数模转换器和第二数模转换器)输出的两个电压信号具有幅度相等、相位相差180°的特征。
其中，两个数模转换器(第一数模转换器和第二数模转换器)用于将接收的数字形式的波形信息转换为模拟形式的参考电压信号。
可以理解的是，将两个数模转换器(第一数模转换器和第二数模转换器)作为两个单端电压源。可以由两个单端电压源、第七内阻和第八内阻组成如图5所示的差分信号源，具体过程在此不再赘述。具体可以参见图5以及结合图5对应的实施例的详细描述。
需要说明的是，本实施例中的第一数模转换器和第二数模转换器可以采用单个集成化芯片实现，也可以采用两个独立的芯片实现。
在本发明的一实施例中，参见图9，提供了上述基于全差分结构的热噪声检测装置的实施例中差分信号源的一种具体实现方式，具体包括：
第二现场可编程门阵列、第三数模转换器、第二单端转差分放大器、第九内阻和第十内阻；
第二现场可编程门阵列，用于对第三数模转换器进行时序控制；
第三数模转换器，用于将第二现场可编程门阵列输出的波形信息进行数模转换；
第二单端转差分放大器，用于将第三数模转换器输出的电压信号转换为两路幅度相同且相位相反的差分电压；
第九内阻一端和第二单端转差分放大器的一个输出端相连；
第十内阻一端和第二单端转差分放大器的另一个输出端相连；
其中，第九内阻的另一端和第十内阻的另一端分别与传感器电阻的两端相连；
其中，第三数模转换器的输出端包含多个频率分量。
在本实施例中，现场可编程门阵列FPGA将波形信息发送至第三数模转换器。
其中，第三数模转换器用于将接收的数字形式的波形信息转换为模拟形式的参考电压信号。
第三数模转换器的输出端连接至第二单端转差分放大器的输入端。第二单端转差分放大器具有两个幅度相等、相位相差180°的输出端口。第二单端转差分放大器能够将输入的参考电压信号进行转换并输出幅度相等、相位相差180°的电压信号。
可以理解的是，将第二单端转差分放大器的两个输出端口作为两个单端电压源。可以由两个单端电压源、第九内阻和第十内阻组成如图5所示的差分信号源，具体过程在此不再赘述。具体可以参见图5以及结合图5对应的实施例的详细描述。
需要说明的是，本实施例中的第二单端转差分放大器可以采用单个集成化芯片实现，也可以通过多个运算放大器搭建的分立电路实现。
本发明实施例还提供上述基于全差分结构的热噪声检测装置的应用实例，具体包括如下内容：
在本实施例中，采用任意波形发生器33500B的一个通道产生参考电压信号。该参考电压信号包含多个频率分量，每个频率分量的幅度相同。这些频率分量等间隔分布，包括：250Hz、750Hz、1250Hz、…、999750Hz。该参考电压信号接着输入一个单端转差分放大器。单端转差分放大器具有正向、负向两个输出端口。
采用频谱分析仪测量单端转差分放大器的正向、负向两个输出端口中各自包含频率分量的大小。例如，实测的6.25kHz处频率分量的幅度分别为143.22μV、144.65μV。可以看出，由于仪器、电路的非理想特性，两个频率分量的幅度并不完全相等，而是存在微弱的差异。考虑到两个频率分量的相位相反，因此，在根据叠加型噪声温度计基本原理计算温度值时，该频率点所在频率的幅度为两个幅度的和，即143.22μV+144.65μV＝287.87μV。
单端转差分放大器的正向、负向两个输出端口分别连接至两个内阻。在本实施例中，两个内阻的阻值均为495kΩ。
传感器电阻的阻值为2kΩ，放置在恒温槽中。恒温槽内部具有开关电源、数字电路、加热线圈等。它与水三相点(Triple Point of Water，TPW)相比，会向外辐射更强的电磁干扰。
两个差分放大器的输出连接至后端模块。后端模块测量第一差分放大器和第二差分放大器输出信号的互相关功率谱。
当采用现有技术中的具有单端结构的热噪声检测装置时，测量到的互相关功率谱如图10所示。
当采用本发明的具有全差分结构的热噪声检测装置时，测量到的互相关功率谱如图11所示。
可以看出，现有技术中单端结构对应的频谱具有非常多的电磁干扰，而本发明中的全差分型结构具有非常强的抗电磁干扰能力，频谱非常纯净。
根据叠加型噪声温度计的基本原理，可以在互相关功率谱的基础上，得到包含参考信号的频谱分块的功率P，得到其左侧、右侧不包含参考信号的频谱分块的功率之和PLR。功率比值PC/PLR随频率的变化如图12和图13所示。可以看出，采用单端结构时，功率比值会因为电磁干扰EMI出现非常多的跳变点，而采用全差分型结构时观察不到跳变点。
可以看出，图12和图13功率比值是不平坦的，这主要是传输线的频率响应引起的。采用4阶多项式拟合图12和图13的功率比值，以外推到直流进而消除频率响应的影响。通过拟合可以得到不受传输线频率响应影响的功率比值。选用的拟合的初始频率为2.25kHz，截止频率为600.25kHz。根据叠加型噪声温度计的基本原理，可以利用拟合得到的功率比值进一步计算出待测温度。传感器电阻所在的恒温槽温度为35℃。单端结构、全差分结构最终得到的温度值分别为37.51℃、34.75℃。可以看出，两者与目标温度值的差值分别为+2.51℃、-0.25℃。当采用全差分结构时，测量结果具有更高的准确度。
现有单端结构的测量温度值偏高，可以解释为：单端结构引入的电磁干扰在计算过程中，会被误认为是传感器电阻产生的噪声，进而增加传感器电阻的噪声功率。噪声功率越高，温度值越高。最终导致测量到的温度值高于真实的温度值。
从上述描述可知，与单端结构不同，本发明采用的具有差分电压源、差分放大器的全差分结构能够有效减小电磁干扰影响，相比于现有的单端叠加型噪声温度计，具有更强的抗电磁干扰能力，从而保证更高的测量准确度。
本发明实施例还提供一种噪声温度计，包括：低通滤波器、模数转换器、互相关运算器、处理器和噪声检测器；
所述噪声检测器，用于检测热噪声信号并输出两路经过放大的信号；其中，噪声检测器中的传感器电阻处于待测温度环境中。
所述低通滤波器，用于对两路经过放大后的信号进行低通滤波；
所述模数转换器，用于对低通滤波后的信号进行模数转换；
所述互相关运算器，用于对模数转换后的数字信号进行互相关运算；
所述处理器，用于基于互相关运算后的数字信号进行计算得到噪声检测器中传感器电阻所处环境的温度。
其中，噪声检测器为上述实施例中的热噪声检测装置。
本发明提出的噪声温度计中，噪声检测器采用了差分信号源和差分放大器的全差分结构，具有更强的共模噪声抑制能力，能够在强电磁干扰环境中有效降低互相关功率谱中的电磁干扰，进而提高温度的测量精度。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露方法和装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，包括：差分信号源，传感器电阻，第一差分放大器和第二差分放大器；
所述传感器电阻，用于产生功率与所在环境温度存在关联的约翰逊噪声信号；
所述差分信号源，用于产生流经传感器电阻的差分电流；所述第一差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第一放大信号；所述第二差分放大器，用于对传感器电阻两端的电压进行放大并输出第二放大信号；
其中，所述第一差分放大器的正极输入端口和负极输入端口分别连接在所述传感器电阻的一端和另一端；所述第二差分放大器的正极输入端口和负极输入端口分别连接在所述传感器电阻的一端和另一端；所述第一差分放大器的接地端与所述第二差分放大器的接地端均与接地电极相连；所述差分信号源的接地端与接地电极相连。
2.根据权利要求1所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述差分信号源包括：第一单端电流源和第二单端电流源；
所述第一单端电流源的正极端分别与所述传感器电阻的一端、所述第一差分放大器的正极输入端口和所述第二差分放大器的正极输入端口相连接；所述第一单端电流源的负极端分别与所述第二单端电流源的正极端和接地电极相连；
所述第二单端电流源的负极端分别与所述传感器电阻的另一端、所述第一差分放大器的负极输入端口和所述第二差分放大器的负极输入端口相连接。
3.根据权利要求1所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述差分信号源包括：第一单端电压源、第一内阻、第二单端电压源和第二内阻；
所述第一内阻的一端与所述第一单端电压源的正极端相连；所述第一内阻的另一端分别与所述传感器电阻的一端、所述第一差分放大器的正极输入端口和所述第二差分放大器的正极输入端口相连接；
所述第二内阻的一端与所述第二单端电压源的负极端相连；所述第二内阻的另一端分别与所述传感器电阻的另一端、所述第一差分放大器的负极输入端口和所述第二差分放大器的负极输入端口相连接；
所述第一单端电压源的负极端分别与所述第二单端电压源的正极端和接地电极相连。
4.根据权利要求1所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述差分信号源包括：多通道信号发生器、第三内阻和第四内阻；
所述第三内阻一端和所述信号发生器的一个输出端相连；
所述第四内阻一端和所述信号发生器的另一个输出端相连；
所述第三内阻的另一端和所述第四内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述多通道信号发生器的两个通道分别用于输出相位相反的差分信号；所述多通道信号发生器的两个输出端均包含多个频率分量。
5.根据权利要求1所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述差分信号源包括：信号发生器、第一单端转差分放大器、第五内阻和第六内阻；
所述信号发生器的输出端与所述第一单端转差分放大器的输入端相连；
所述第五内阻一端和所述第一单端转差分放大器的一个输出端相连；
所述第六内阻一端和所述第一单端转差分放大器的另一个输出端相连；
所述第五内阻的另一端和所述第六内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述第一单端转差分放大器，用于将输入的参考电压转换为相位相反的差分电压；所述信号发生器的输出端包含多个频率分量。
6.根据权利要求1所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述差分信号源包括：第一现场可编程门阵列、第一数模转换器、第二数模转换器、第七内阻和第八内阻；
所述第一现场可编程门阵列，用于对第一数模转换器、第二数模转换器进行时序控制；
所述第一数模转换器，用于将第一现场可编程门阵列输出的一路波形信息进行数模转换；
所述第二数模转换器，用于将第一现场可编程门阵列输出的另一路波形信息进行数模转换；
所述第七内阻一端和所述第一数模转换器的输出端相连；
所述第八内阻一端和所述第二数模转换器的输出端相连；
所述第七内阻的另一端和所述第八内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述第一数模转换器和所述第二数模转换器的输出端均包含多个频率分量。
7.根据权利要求1所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述差分信号源包括：第二现场可编程门阵列、第三数模转换器、第二单端转差分放大器、第九内阻和第十内阻；
所述第二现场可编程门阵列，用于对第三数模转换器进行时序控制；
所述第三数模转换器，用于将第二现场可编程门阵列输出的波形信息进行数模转换；
第二单端转差分放大器，用于将第三数模转换器输出的电压信号转换为相位相反的差分电压；
所述第九内阻一端和所述第二单端转差分放大器的一个输出端相连；
所述第十内阻一端和所述第二单端转差分放大器的另一个输出端相连；
其中，所述第九内阻的另一端和所述第十内阻的另一端分别与所述传感器电阻的两端相连；
其中，所述第三数模转换器的输出端包含多个频率分量。
8.根据权利要求2所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述第一单端电流源和所述第二单端电流源的输出端均包含多个频率分量。
9.根据权利要求3所述的基于全差分结构的热噪声检测装置，其特征在于，所述第一单端电压源和所述第二单端电压源的输出端均包含多个频率分量。
10.一种噪声温度计，包括：低通滤波器、模数转换器、互相关运算器和处理器；其特征在于，还包括：噪声检测器；
其中，所述噪声检测器为权利要求1-9中任意一种热噪声检测装置。
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