AD590温度传感器及A_D卡温度采样的分辨率

第25卷　第5期

2005年5月

物　理　实　验　P H YSICS EXPERIM EN TA TION

Vol.25　No.5

　May ,2005

　收稿日期:2004211207;修改日期:2005201225　作者简介:胡险峰(1962-),男,江西玉山人,四川大学物理学院副教授,硕士,主要从事基础物理实验教学.

AD590温度传感器及A/D 卡温度采样的分辨率

胡险峰,张明宪,朱世国

(四川大学物理学院,四川成都610064)

摘　要:介绍AD590温度传感器的分流电路的构成及其应用,讨论用A/D 卡和AD590温度传感器做温度采样的温度分辨率.

关键词:温度传感器;A/D 卡;分辨率

中图分类号:TP212.11;O551.1 文献标识码:A 文章编号:100524642(2005)0520020204

1　概　述

电阻型温度传感器和PN 结温度传感器,测

量电路需要恒流源或采用非平衡电桥法,测量电路比AD590温度传感器的电路复杂,非平衡电桥法会引入非线性,给温度计的标定带来不便.AD590温度传感器的测量电路很简单,工作电压范围宽(5～30V ),输出电流与温度关系的线性度好,绝对温度变化1K ,输出电流变化1μA ,即1μA/K [1],0℃时,输出电流约273.15×10-6μA.以5k Ω电阻作电流取样电阻,用可以显示0～19999个数字的2V 量程数字电压表测量电流取样电阻上电压,在0～100℃范围,取样电阻上的电压约为1.3685～1.8685V ,数字电压表一个数字变化的温度分辨率为0.02℃.然而,用数字电压表测量温度随时间变化曲线,较繁琐.用A/D 卡和计算机虚拟温度图示仪,则可以很方便地测量温度随时间变化曲线.

对于常用的5V 8位A/D 卡,输入电压只有0～5V ,转换出的数字为0～255,1个数字变化的电压分辨率约为19mV ,若仍以5k Ω电阻作电流取样电阻,在0～100℃范围,取样电阻上的电压变化为500mV ,5V 8位A/D 卡1个数字变化的温度分辨率约为3.8℃.5V 12位A/D 卡1个数字变化的温度分辨率也只有约0.24℃.通过提高电流取样电阻的阻值来增加A/D 卡的温度分辨率,在测温范围内取样电阻上的电压会超出A/D 卡输入电压范围.利用电路分流取样电阻上

流过的电流,则可以提高取样电阻的阻值来增加A/D 卡的温度分辨率.

2　分流电路

用高输入阻抗的运算放大器,可以构成AD590温度传感器的分流电路,其电路原理见图1所示.由于运算放大器的同相端和反相端虚短

路,图中AD590的高电位端与地的电位相同,其低电位端要接到负电源端,AD590才能工作.若认为运算放大器及A/D 卡的输入电阻都为无穷大,在一定的温度下,AD590可以看成是恒流源.则取样电阻R s

上的电流为

图1　AD590分流电路

I s =I d -I (t )

由于运算放大器的反相端与地的电位相同,分流

电阻上R d 的电流为

I d =

U cc R d

U cc 为电源电压.运算放大器的输出电压为

U o(t)=-R s I s=[I(t)-I d]R s(1)若令温度t=t1时,AD590上流过的电流I(t1)等于分流电阻上流过的电流,即I(t1)-I d=0,则运算放大器的输出电压为U o(t1)=0,可以得到

R d=

U cc

I(t1)

(2)

令温度t=t2,运算放大器的输出电压为U o(t)= U o(t2),可以得到

R s=

U o(t2)

I(t2)-I(t1)

(3)

确定测温范围(t1,t2),上限温度时运算放大器输出U o(t2)及电源电压U cc后,由(2),(3)式可分别计算出所需的分流电阻和取样电阻的阻值.

取测温范围为273.15～373.15K,上限温度时运算放大器输出U o(t2)=5V,电源电压U cc= 12V,由(2)式和(3)式分别计算出

R d≈43.93kΩ,R s=50kΩ

经过上述分流电路,取样电阻阻值相对前面所述,提高了10倍,在0～100℃范围,取样电阻上的电压变化,即运算放大器的输出电压变化为5000mV,5V8位A/D卡1个数字变化的温度分辨率约为0.38℃,5V12位A/D卡1个数字变化的温度分辨率约0.024℃,也相应提高了10倍.

3　实际应用

3.1　在A/D卡上添加分流电路

按图1的分流电路,在输入电压为0～5V,转换时间约为80μs,转换精度为8位的MSC21型A/D转换卡的电路板上,添加1个TL082高输入阻抗双运算放大器、2个41kΩ电阻和2个54kΩ电阻,以卡板上的±12V电源作为分流电路的工作电源,构成2个AD590温度传感器的分流电路.2个分流电路的输出分别接入A/D卡的0号和1号模入通道.

3.2　标定分流电路输出电压与温度的关系

编写用A/D卡采集分流电路的输出电压程序,并在计算机上虚拟电压表(图2).取虚拟电压表多次测量的平均值,来标定分流电路输出电压和温度的关系

.

图2　虚拟电压表

AD590温度传感器输出电流与摄氏温度的关系为

I(t)=(273.15+t)×10-6A(4)代入(1)式,得分流电路输出电压和温度的关系

U o(t)=at-b(5)其中系数分别为

a=R s×10-6,-b=R s273.15×10-6-

U cc

R d

由于实际选用的器件的参量并非设计参量,系数a和b必须由实验来标定.

标定工作很容易进行,将AD590温度传感器和水银温度计绑在一起,放入处在室温环境的水中,用虚拟电压表测量分流电路的输出电压,待水银温度计读数稳定后,按虚拟电压表上“停止”按钮,温度值和电压值自动保存;再将AD590温度传感器和水银温度计握在手掌中,待水银温度计读数稳定后,再次按虚拟电压表上“停止”按钮,温度值和电压值自动保存.按虚拟电压表上“计算”按钮,算出系数a和b,并自动保存到虚拟温度图示仪的参数文件中,则完成系数a和b的实验标定.

实际标定结果,按图1安装的2个分流电路的电压2温度关系分别为

U o(t)=5.71×10-2t-0.801(6)

U o(t)=5.88×10-2t-0.607(7)由此算出安装的2个分流电路的实际电路参量列在表1中.

表1　分流电路的参量

分流电路R s/kΩI d/μA(t1,t2)/℃ΔU o

Δt(mV・℃

-1)

157.1287.2(14.0,101.6)57.1 258.8283.4(10.3,95.4)58.812

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