徐莉振，鮑 敏

（浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

Pt100溫度傳感器由于具有精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)自動化測量和各種實驗儀器儀表領域中[1]。Pt100溫度傳感器測溫方法主要有3種：兩線制、三線制和四線制，由于PCB布線繁瑣程度以及價格等方面原因，在工業(yè)上研究者一般采用二線制或三線制鉑電阻測溫方案。常用的采樣電路有兩種：①橋式測溫電路；②恒流源式測溫電路。兩線制測量方法由于導線電阻帶來的附加誤差使得實際測量值偏高，一般使用于測量精度要求不高的場合[2]。一般的橋式測溫電路的優(yōu)點就是用3根導線將Pt傳感器和測量電路連接起來，Pt傳感器兩側相等的導線長度分別加在兩側的橋臂上，這樣做可以顯著減少導線電阻所引起的測量誤差[3-4]，但不能消除測量誤差。在Pt100多路測溫系統(tǒng)中，通常以增加模擬開關芯片來實現(xiàn)多路測溫：一種是在Pt100接入口處增加模擬開關，但同時也引進了模擬開關導通內(nèi)阻的誤差[5]；一種是在信號調(diào)理完成后加入模擬開關，模擬開關導通內(nèi)阻可忽略不計，但是信號調(diào)理電路重復，設計成本增加[6]。

本研究提出三線制雙恒流源式多路測溫方法，在未引進模擬開關內(nèi)阻誤差、克服常用測溫電路設計中鉑電阻Pt100引線導致的測量誤差以及未重復信號調(diào)理電路前提下，可保證系統(tǒng)在0～100℃的測溫范圍內(nèi)，測量誤差小于±0.1℃，為Pt100多路高精度測量提供很好的解決方案。

1 系統(tǒng)組成及測溫原理

多路溫度傳感器測溫系統(tǒng)主要由恒流源電路、模擬電子開關組、差分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 溫度采集系統(tǒng)電路框圖

當Atmega16選通一組模擬開關時，恒流源產(chǎn)生一個1 mA的電流，作用在Pt100鉑電阻溫度傳感器和100 Ω標準電阻（千分之一精度）上，使溫度信號轉(zhuǎn)換成壓差信號。產(chǎn)生的壓差信號為毫伏級的小信號，因此本研究通過差分放大電路對輸入的小信號進行100倍放大，最后通過16位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給微處理器進行處理。

雙恒流源測溫原理圖如圖2所示。輸出電壓計算公式為：

式中：β—差分放大倍數(shù)。

當I1=I2=I，且r1=r2=r3時，Uo=β[I(RX-100)]，消除了引線電阻的影響。

圖2 雙恒流源測溫原理

2 硬件電路設計

2.1 恒流源電路設計

恒流源電路是該系統(tǒng)測溫電路的關鍵部分，其恒流的穩(wěn)定性以及輸出電流的大小對溫度檢測系統(tǒng)的準確度有很大的影響。對Pt100傳感器來說，為了減少鉑熱電阻自熱影響帶來的誤差，當水的溫度保持0℃時，其激勵電流應保證耗散功率不大于0.1 mW[7]，即在Pt100傳感器電阻值為100 Ω時，流過Pt100的電流信號不大于1 mA，因此該系統(tǒng)中設計了一個能產(chǎn)生穩(wěn)定1 mA電流的恒流源。

雙恒流源電路如圖3左邊部分所示，其為實用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路[8]。

其中，輸出電壓為：

設R8=R10=R13=R14=100kΩ ，則：

輸出電流為：

圖3 溫度采集調(diào)理電路

因此，只要Uin和R9確定，就可以得到穩(wěn)定的小電流。

在該系統(tǒng)中，電壓基準采用低功率、低漂移的3 V精密電壓基準芯片REF3030。雙恒流源放大器采用Intersil公司的微功耗、零漂移、超低失調(diào)電壓、低噪的軌對軌4通道放大器ISL28433，且選R9為1%精度的3 kΩ歐精密電阻，其余8個電阻為大量同一批次的精密電阻中選出的阻值接近的8個電阻。在X，Y端可穩(wěn)定輸出1 mA的穩(wěn)定電流。本研究通過實測得到雙恒流源之間的一致性保持在千分之一以內(nèi)。

2.2 模擬電子開關組電路設計

考慮到信號調(diào)理電路的復雜程度，以及多通道一致性，不宜采用多個信號調(diào)理電路，該系統(tǒng)采用了模擬電子開關組共用同一恒流源及放大電路的思路。模擬電子開關與4路Pt100的連接電路如圖3中間部分所示。

該系統(tǒng)采用CD4052作為模擬電子開關，有較小的導通電阻（約為幾百歐），對恒流源以及后級放大電路影響可忽略不計。如圖3所示，A、B、EN口分別接到Atmega16單片機的3個I/O口。

當X0、Y0通道導通時，雙恒流源電流分別通過100 Ω標準電阻流入地以及Pt100流入地。從而產(chǎn)生Pt100溫度傳感器和標準電阻之間的壓差，再通過后級差分放大電路進行信號處理。

2.3 差分放大電路設計

該系統(tǒng)的運算放大器為ISL28233，其采用斬波穩(wěn)定的結構技術，實現(xiàn)了非常低的輸入偏置電壓（8 μV）、溫度漂移電壓（0.05 μV/℃）和噪聲電壓，其靜態(tài)電流為17 μA，共模抑制比為125 dB，是一款高穩(wěn)定性、高可靠性的軌對軌運算放大器。差分放大電路如圖3右邊部分所示。

Xout，Yout端在Pt100測溫范圍0～100℃內(nèi)，最大輸入壓差為0～38.51 mV。差分放大電路可以對微弱的電壓信號進行調(diào)理放大100倍后得到0～3.851 V的電壓，再通過后半部起緩沖作用的電壓跟隨器[9]，經(jīng)阻容低通濾波器，作為反映當前溫度的電壓值，傳輸給后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器進行處理。

2.4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設計

A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADS8320模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這是一款16位采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用串行SPI接口方式，其SINAD（信號-噪聲和失真比）為84 dB，則：

ENOB（有效位數(shù)）=（SINAD-1.76）/6.02

可以得出ENOB約等于14位，與數(shù)據(jù)手冊相符，可以滿足該系統(tǒng)精度要求。

A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓基準采用REF3030同系列的低功率、低漂移的4.096 V精密電壓基準芯片REF3040。

A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

其中，ADS8320的567引腳接ATmega16的3個I/O口，通過I/O口模擬SPI時鐘信號，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器與主控芯片之間的SPI通信，完成壓差值的采集。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)設計中的主要程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

在該系統(tǒng)中進行的采集數(shù)值算法主要采用折半插入排序法[10]。

插入排序的基本設計思想是：在一個已經(jīng)排好序的記錄子集的基礎上，每一步都將下一個待排序的記錄有序插入已經(jīng)排好序的記錄子集的合適位置上，直到將所有待排序記錄全部插入為止。折半插入排序法對一般排序進行了優(yōu)化，可以減少一般插入排序過程中比較的次數(shù)，對于實時性要求較高的嵌入式系統(tǒng)，可以減少很長的程序運行時間。筆者在本研究中把總排序時間分散（分散到每一次循環(huán)中）為對某一個元素的插入排序，這樣處理后，在最后一次A/D轉(zhuǎn)換結束后的極短時間內(nèi)，就可以得到排序集合。再對序列中部的記錄集合求平均值，即可得到較準確的A/D轉(zhuǎn)換值。

4 誤差分析及實驗測試結果

4.1 測試系統(tǒng)精度要求

鉑電阻在0～100℃范圍測溫時，電阻-溫度關系式滿足下式：

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式中：Rt，R0—Pt100鉑電阻在溫度為t（℃）和0℃時的電阻值。

由式（5）可以推出：

要想使被測的Pt100鉑電阻的測量精度達到0.1℃，即取Δt=0.1代入式（6），可求得：ΔR≈ 0.0391。

即該系統(tǒng)測得的Pt100鉑電阻的阻值精度為0.039 1。則系統(tǒng)的最大相對誤差為γ=0.0391/100=3.91×10-4。

4.2 誤差來源及理論誤差計算

整個系統(tǒng)的誤差來源包括：恒流源模塊誤差γ1，Pt100鉑電阻引線誤差γ2，模擬電子開關組導通電阻誤差γ3，差分放大電路誤差γ4。

4.2.1 恒流源模塊誤差

恒流源模塊誤差主要來源于精密電壓基準芯片REF3030的誤差γ11、4通道放大器ISL28433的誤差γ12和精密電阻R9的誤差γ13。假設系統(tǒng)工作環(huán)境溫度變化ΔT=20℃，REF3030的溫漂為20 ppm/℃，可以算出γ11=20×10-6×20/3.0=1.33×10-4。

由于ISL28433輸入偏置電流為180 pA（最大值）、輸入失調(diào)電流為10 pA，則:

綜上，恒流源的誤差為：

4.2.2 Pt100鉑電阻引線誤差

該設計中的Pt100鉑電阻測溫采用雙恒流源三線制測量，其內(nèi)阻及接線情況如圖3右下角所示。其中Rn為引線線電阻，Rx為Pt100電阻。因為本研究采用差分放大電路，只要引線長度一致時，引入的引線誤差基本可以忽略不計，即γ2≈ 0。

4.2.3 模擬電子開關組導通電阻誤差

該系統(tǒng)中的模擬電子開關為CD4052，其導通時的電阻約為幾百歐，研究者可以把前級電子開關的導通電阻看作恒流源電路的負載電阻一部分，對恒流源電流大小無影響。而后級電子開關的導通電阻可以看作放大電路中運放的輸入阻抗的一部分，對于高輸入阻抗的運放芯片來說可忽略不計，因此兩部分的影響都很小，即γ3≈ 0。

4.2.4 差分放大電路誤差

差分放大電路的誤差主要決定因素來源為ISL28233的輸入失調(diào)電壓11 μV（最大值）和失調(diào)電壓漂移0.05 μV/℃（最大值）。假設系統(tǒng)工作環(huán)境溫度變化ΔT=20℃。可計算出：

4.2.5 系統(tǒng)采集綜合誤差

由上述分析結合各部分誤差，則可計算出溫度采集系統(tǒng)的綜合誤差為：

由于計算出的系統(tǒng)誤差小于Pt100鉑電阻的最大相對誤差，該系統(tǒng)的測量精度在理論計算上滿足要求。

4.3 實驗測試結果

電路板實物如圖6所示。

圖6 電路板實物圖

實驗測試恒溫槽是寧波東南儀器有限公司生產(chǎn)的熱量計檢定專用恒溫槽，其溫度波動度為±0.01℃/30mi n，溫度均勻度為0.01℃。

溫度實測結果如表2所示。

由表2可知，測試溫度值與實際值之間的誤差值小于±0.1℃，滿足系統(tǒng)精度要求。

表2 溫度實測值

5 結束語

本研究設計的多路溫度采集系統(tǒng)在未引進模擬開關內(nèi)阻誤差以及無需增加多個調(diào)理電路的基礎上，實現(xiàn)了在0～100℃范圍內(nèi)的高精度測量，測量誤差小于±0.1℃。

另外，該系統(tǒng)在PCB板中間設有擴展插口，研究者可以在擴充CD4052模擬開關組前提下，實現(xiàn)Pt100鉑電阻的批量測溫，且可應用于鉑電阻的配對系統(tǒng)中。

（References）：

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