一款小型化、高精度的鉑電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

0 引言

計(jì)量檢定儀器主要用來檢定和標(biāo)定日?？茖W(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中所使用儀器的傳感器是否符合使用標(biāo)準(zhǔn)。從本質(zhì)上來講，計(jì)量檢定儀器是精度和分辨率都要高于日常所使用儀器的標(biāo)準(zhǔn)儀器。目前，承擔(dān)大量工業(yè)企業(yè)和部分科研院所計(jì)量檢定工作的省級(jí)的計(jì)量檢定部門使用的鉑電阻檢定和校準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度約為0.1 度，分辨率為0.01 度。隨著部分企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)或科學(xué)研究過程中對(duì)溫度測(cè)量的要求越來越高，目前的檢定裝置的測(cè)量精度已經(jīng)不能滿足要求，而且，檢定設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，難以作為可傳遞的計(jì)量檢定裝置來為用戶提供上門的高精度測(cè)溫或檢定服務(wù)。為了滿足科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫度測(cè)量精度提高以及對(duì)鉑電阻計(jì)量檢定溫度計(jì)小型化、易傳遞的需求，本文提出一種基于TI 公司ADS1247 芯片的鉑電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)方案。

1 測(cè)量原理

將鉑電阻隨溫度變化而變化的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的方式通常有兩種：電橋法和恒流源法。由于電橋法存在不可避免的非線性，且需要多個(gè)電阻進(jìn)行匹配，所以會(huì)在測(cè)量中引入系統(tǒng)誤差。而恒流源法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度好的特點(diǎn)，但是，由于所采用恒流源輸出電流波動(dòng)，會(huì)在測(cè)量過程中引入隨機(jī)誤差，通常采用在測(cè)量通路中串聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的比例測(cè)量形式來消除恒流源的波動(dòng)。如果恒流源的輸出是穩(wěn)定的，那么就可以不用串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻，直接測(cè)量鉑電阻的電壓降來進(jìn)行溫度測(cè)量。

ADS1247 是TI 公司推出的一種高性能、高精度24 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。ADS1247 單片集成一個(gè)低噪聲可編程增益放大器、一個(gè)精密(ΔΣ)ADC 與一個(gè)單周期低通數(shù)字濾波器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘。內(nèi)置10mA 低漂移電源參考和兩個(gè)可編程電流型數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)。通過程序設(shè)置，在輸出電壓裕度內(nèi)，DACS 可為外部提供多種強(qiáng)度的恒定電流，電流強(qiáng)度可被設(shè)置為50uA 、100 uA、250uA 、500uA 、750uA 、1000uA 、1500uA .其輸出電流的絕對(duì)誤差與輸出電流強(qiáng)度有關(guān)，強(qiáng)度越小，誤差越小。電流隨溫度波動(dòng)約為100ppm/℃。

ADS1247 還具有一個(gè)可編程放大器(PGA)，放大倍數(shù)可為1,2,4,8,16,32,64,128.采用ADS1247 進(jìn)行測(cè)溫的原理如圖1 所示：

在圖1 中，使用匹配電阻的目的是使恒流源工作在最佳的線性區(qū)。對(duì)ADS124 的配置和測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取由單片機(jī)通過SPI 總線進(jìn)行。

2 實(shí)施方法及實(shí)驗(yàn)

當(dāng)ADS1247 的采用內(nèi)部參考電壓，數(shù)據(jù)采樣率為5SPS,PGA 放大倍數(shù)為128 倍時(shí)，其內(nèi)部的噪聲電壓峰峰值可低于0.05uA .Pt100 在-30-300 ℃ 范圍內(nèi)的阻值變化范圍是88.22-212.05 歐姆。所以，為了達(dá)到最低噪聲的條件，應(yīng)配置ADS1247,使其輸出的恒定電流為100uA .為了使恒流源輸出的恒流具有較高的穩(wěn)定性和線性度，其引腳的輸出電壓范圍應(yīng)在3.5-4V 的范圍內(nèi)，所以，要為pt100 串聯(lián)一個(gè)阻值為37.4K 歐姆的電阻。ADS1247 采用內(nèi)部參考電壓，模擬供電電壓(AVDD)和數(shù)字供電電壓(DVDD)均為5V,兩者之間以0 歐姆電阻分隔。所有與模擬地(AGND)連接的引腳均采用單端接地，模擬地與數(shù)字地(DVDD)之間也采用0 歐姆電阻隔離。

單片機(jī)接收到鍵盤輸入的測(cè)量指令后，啟動(dòng)ADS1247,并對(duì)ADS1247 進(jìn)行配置。單片機(jī)延時(shí)100ms 后，開始發(fā)起一次測(cè)量，采集30 個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)Pt100 的分度表，以每一攝氏度所對(duì)應(yīng)的電壓范圍為一個(gè)插值區(qū)間，在該范圍內(nèi)以萬分之一攝氏度為遞進(jìn)單位進(jìn)行線性插值。將插值后得到的溫度數(shù)據(jù)按采集的時(shí)間先后順序，分成3 個(gè)組，每組10 個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)(1)式，計(jì)算每組內(nèi)各溫度數(shù)據(jù)的方差和。

方差反映了數(shù)據(jù)波動(dòng)的程度，在三組數(shù)據(jù)中，選擇方差和最小的一組數(shù)據(jù)，也就是測(cè)量值波動(dòng)量最小的一組作為有效測(cè)試數(shù)據(jù)。進(jìn)而，選擇該組數(shù)據(jù)內(nèi)方差最小的測(cè)試數(shù)據(jù)作為最終的測(cè)量值。

系統(tǒng)整機(jī)尺寸可控制在80×80 毫米以內(nèi)。以±15V 的直流穩(wěn)壓電源供電，在測(cè)溫精度為0.01 ℃、分辨率為0.001 ℃的低溫和恒溫油槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在-30-300℃范圍內(nèi)進(jìn)行100 個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)試，通過分析測(cè)試數(shù)據(jù)，最大誤差不超過0.05℃，測(cè)試分辨率最大為0.004℃。

3 結(jié)論

ADS1247 片上集成的恒流源、可編程放大器(PGA)和24位的AD 轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)榛阢K電阻的溫度測(cè)量提供優(yōu)良的硬件支撐。依據(jù)方差最小原則處理溫度數(shù)據(jù)能夠進(jìn)一步提高溫度測(cè)量的精度。所設(shè)計(jì)的鉑電阻溫度計(jì)體積小、精度高，方便傳遞。