常海龍，張丕狀，閆加勝，蔡　璇

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原　030051)

0　引言

1　溫差小信號放大電路設(shè)計

根據(jù)溫差信號以及測試環(huán)境(高溫和強電磁干擾)的實際需要，設(shè)計出如下的測量電路原理如圖1所示。

圖1　小信號差分電路測量電路圖

首先，采用高精度電橋電路，主要是為了讓差分信號能夠跟精確的反映出此時溫差信號的的大小，使得整體電路中信號的穩(wěn)定性加強。差動放大電路的輸入信號電橋是由2個鉑電阻Pt100和2個溫度系數(shù)很小的電阻構(gòu)成，一路鉑電阻測試液體流量的冷端，另一路鉑電阻測試液體流量的熱端，按照一定規(guī)律放置，滿足鉑電阻自身的溫度補償。為了電橋的輸出電壓能夠真實反應(yīng)鉑電阻的變化，電源的精度以及穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此采用電橋電壓與A/D轉(zhuǎn)化器的基準電壓采用同源電壓，實現(xiàn)電源的共模干擾，消除了由于工作電壓不穩(wěn)所帶來的誤差。[2-3]

(1)

式中：RG為增益反饋電阻，為了使噪聲以及電路的穩(wěn)定性的原因，增益電阻最好選擇熱噪聲小的電阻。

第一級放大電路輸出電壓為

Vout1=G·(VIN+-VIN-)+RREF

(2)

式中：VIN+、VIN-為正向反向輸入端偏置電壓；G為放大增益。

那個顯然是頭兒的八路軍善解人意地笑了下，轉(zhuǎn)身朝一直張著大嘴愣怔著的周教授幾個走來，拍了拍周教授肩頭說，同志們，日本人完蛋了，我們勝利了。

第二級放大電路是一個同向比例放大電路，其輸出電壓為

(3)

式中：R1、R2為反饋電阻;Vout1為第一級放大電路輸出電壓。[4]

2　溫度補償電路的設(shè)計分析

溫度補償方法有很多，可以分為軟件補償和硬件補償。軟件補償通過溫度傳感器測得溫漂具體的值，用合適算法進行數(shù)據(jù)融合，補償算法一般由單片機實現(xiàn)，其補償效果很好，精度很高，但這種補償系統(tǒng)體積比較大，傳感器本身一些誤差補償算法可能無法補償[5]。硬件補償通過補償電路改變其輸出。常用的方法有串并聯(lián)電阻減小零漂[6-7]，雙惠斯通電橋抵消等[8]，只能改善零位輸出和零位漂移，成本較高。

根據(jù)上述方法不足之處，文章提出了一種新的溫度補償方法。把環(huán)境溫度和芯片自身的發(fā)熱產(chǎn)生的影響都考慮在內(nèi)，提出了雙重溫度補償?shù)姆椒?，也是首次提出?yīng)用。電路原理圖如圖2所示。

圖2　溫度補償電路

該電路主要優(yōu)點有兩點：(1)補償電路簡單，體積很?。?2)全面的考慮了熱源的影響，精確的達到溫度補償?shù)男Ч?。電路主要有兩部分?gòu)成。第一部分是電阻分壓電路。上路由大阻值的滑動變阻器和1個鉑電阻構(gòu)成，與-15V電源相連，下路有2個定值電阻，阻值大小一樣，與+15V電源相連。通過基爾霍夫電壓定律計算可知，電壓值

(4)

式中選用溫度系數(shù)5 ppm/℃電阻。

在實際的工作中，AD8429會產(chǎn)生大量的熱，芯片常溫工作時溫度可達到40 ℃，并且會在電路板上產(chǎn)生溫度分布。為了使溫度補償更精確，芯片的溫度和外界的溫度必須同時考慮，把鉑電阻Pt100做了特殊的處理，和AD8429粘黏一起，可以準確反應(yīng)出芯片的實際溫度，及時的補償由溫漂所帶來誤差。基于這種思路，在放置其它元器件的時候，將反饋電阻放到AD8429有利平衡位置，在線路預(yù)一段時間后，可以達到溫度相對平衡，對抑制溫漂有一定作用。[9]第二部分就是電壓衰減部分，用op07搭建反向比例放大電路，其輸出電壓為

(5)

將其與AD8429的端相連，由式(1)～式(5)可得，兩級放大電路經(jīng)過溫度補償后的輸出電壓為

(6)

通過對實際電路的測量，繪制出在放大電路中溫漂曲線圖，找到兩級輸出為0的所對應(yīng)的臨街溫度值，觀察變化趨勢，計算出溫度補償電路電壓衰減倍數(shù)，選用合適的元器件，搭建硬件電路，從而達到減小誤差，提高測量精度的目的。注意該電路對電阻的匹配要求很高，選用不當，達不到預(yù)期的效果。

3　測試結(jié)果與性能分析

把AD8429的輸入信號和端輸入0V，對不同溫度下兩級放大輸出電壓進行采集，進行2次試驗，每次采集100點，并用matlab分別進行了一次擬合、二次擬合、三次擬合、四次擬合，得到圖3、圖4所示。

圖3　差分放大電路溫漂測試曲線1

通過觀察計算，選用2次實驗的二次擬合曲線作為研究，如圖5表示。

從圖5中可以觀察到，在30～ 50℃范圍內(nèi)，兩級輸出電壓從-8 mV變化到+8 mV，呈現(xiàn)出遞增的變化

圖4　差分放大電路溫漂測試曲線2

圖5　二次擬合差分放大電路溫漂測試比較

趨勢，溫度在40～45 ℃之間，兩級輸出為0，根據(jù)Pt100實際阻值=溫度×0．385 Ω/℃+100 Ω，調(diào)整滑動變阻器，使其溫度在41 ℃時，使得為零，由溫漂變化的幅度計算出每升高1 ℃時，電壓的變化，得到確定的衰減倍數(shù)。通過對放大電路的補償，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6　差分放大電路溫度補償與無溫度補償比較

溫差信號差分放大電路進行溫度補償后，溫差范圍控制在-1～+1 mV內(nèi)，達到了很好的補償效果，提高了測試電路的精度和穩(wěn)定性。

4　結(jié)束語

文章介紹了一種新的溫度補償方法。通過對芯片自身產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度的雙重影響出發(fā)，對研究溫度與兩級放大輸出電壓進行研究分析，選用鉑電阻Pt100，并對其進行特殊處理，能夠準確的測量出主芯片以及環(huán)境溫度，取得較好的溫度補償作用，提高了溫差信號的穩(wěn)定性，改善了測流體質(zhì)量的的精度。

參考文獻：

[1]夏伯雄，楊均青．溫度補償系統(tǒng)使測量儀器更精確．國外電子測量技術(shù)，2005，24(9)：6-7．

[2]郭天懷．基于電阻應(yīng)變式稱重傳感器的電子天平的研制：[學(xué)位論文]．長春：吉林大學(xué)，2006．

[3]劉讓周．智能化應(yīng)變式稱重傳感器的設(shè)計：[學(xué)位論文]．長沙：湖南大學(xué)，2012．

[4]畢滿清，王黎明，高文華，等．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：電子工業(yè)出版社，2008：231-240．

[5]李玲玲，趙全明．壓力傳感器的溫度補償．傳感器世界，2000，8：16-17．

[6]徐桂華．硅壓阻式壓力傳感器的溫度補償．數(shù)據(jù)采集與處理，1994，3：229-232．

[7]孫鳳玲，于海超，王金文，等．硅壓阻式壓力傳感器溫度補償建模與算法研究．微納電子技術(shù)，2007，(增刊1)：263-264．

[8]LEE Y T，HEE-DON，KAWAMURA A．Compensation Method of Offset and Its Temperature Drift in Silicon Piezoresistive Pressure Sensor Using Double Wheatstone-bridge Configuration．The 8th international conference on solid-state sensors and actuators，1995：570-573．

[9]江孝國，楊興林．高精密、高穩(wěn)定度的應(yīng)變計測量差動放大電路．信息與電子工程，2010，8(5)：575．