铂电阻测温电路的线性化设计

铂电阻测温电路的线性化设计

摘要:

铂电阻温度传感器,因其优异的性能而被广泛用于测量温度,而对测温电路进行线性化校正是智能仪表的一项重要要求。本文根据双积分非线性A/D转换原理,设计了一种高精度的铂电阻测温非线性校正方法。实验结果表明:该设计不仅性能稳定,结构简单,而且在0-200℃范围内准确度可达到0·15%FS±4字。

关键词: 温度传感器; 线性化设计; A/D转换

铂电阻温度传感器,因其测量精度高、复现性好、稳定性强等特点而被广泛使用[1]。在精密测量系统中,铂电阻测温系统电路结构图如图1所示。铂电阻温度信号通常通过桥式信号检测电路转换为电压信号,再经过弱信号仪表放大器放大及非线性A/D转换后送微处理器进行处理。根据线性化处理电路的不同位置来划分,线性化方法通常有三种[2]:一种是模拟量非线性校正,该电路处在A/D转换前,此方法在实时性、简便、经济等方面有优势,但电路复杂;此外还有非线性A/D转换校正和数字量的非线性校正,其中非线性A/D转换校正方法的电路简单,精度较高。本文根据双积分非线性A/D转换原理,对铂电阻测温的非线性进行校正,设计了一种高精度的铂电阻测温非线性校正电路。

图1 铂电阻测温系统电路结构图

1 非线性校正原理

1·1 非线性A/D转换原理

铂电阻的温度特性经桥路检测后,其输出电压Vin与被测温度Rq 之间具有函数关系:Vin=VccR5(Rq-R)(R+Rq)(R+R5)(1)

则Rq=Vcc(R+R5)R+VccR5R(2)

其中R1+R2=R3+R4=R,令

Vout=Vcc(R+R5)R+VccR5RVccR5-Vin(R+R5)

则Vout=Rq=Aq2+Bq+C (3)

式(3)中,A,B,C为常系数,q表示被测温度。如果能构造成一个函数电路,使其具有与上式类似的函数形式: V=At2+Bt+C (4)同时使Vout=V,则易得q=t(这里,“q=t”仅有数学意义,实际上它们的量纲是不一样的)。则在Vout=V的前提下,温度q的测量问题就转化为对时间t的测量,其测量过程可通过双积分A/D转换来实现。A/D转换器的每个测量周期分自动调零、信号积分和反向积分三个阶段。双积分输出电压如图2所示。

对于基准电压VREF为定值时,模拟量—数字量的线性转换结果为[1-3]:

N=T1VinTCPVREF(5)

其中,N为T2时间内的计数值,TCP为计数脉冲CP的周期,T1为正向积分时间, Vin为输入电压。

当基准电压VREF(t)为时间t的函数VREF(t)=M+Nt(M,N为待定常系数)时,由双积分A/D转换原理[4]可得关系式:

V0-KRintCint∫T20(M + Nt)dt = V0-K

RintCint(12NT22+ MT2) =0(6)

A/D转换后的输出结果若能完全补偿铂电阻温度非线性,则有: Vin=Vout=Aq2+Bq (7)由式(6)和式(7)可得:Aq2+Bq=-MT1T2-N2T1T22(8)令-BT1=M,-AT1=N/2,则有:T2与q在数值上大小相等,即T2=q,可实现铂电阻的温度与

数字量线性转换。

从上述分析可以看出:在A/D转换过程中,数字量输出与模拟电压输

入之间不是线性关系,即A/D转换是非线性的,其函数关系与Rq-q关系相反,当其特性实现了相互完全补偿时,就能获得线性q—T2转换。利用双积分A/D转换实现非线性校正的关键是应能满足式(7)所表征的函数关系,本设计采用RC回路实现了该目的。

1·2 高精度A/D转换器ICL7135

(1)高精度A/D转换器ICL7135的工作原理铂电阻测温电路线性化设计的实现采用了4位半双积分型A/D转换器ICL7135。ICL7135每一

个转换周期分为三个阶段,即自动调零阶段、被测电压积分阶段和对基准电压VREF进行反积分阶段。在正向积分阶段,积分器的输出电压为:

V0=KRintCint∫T10- Vindt =-KT1RintCint=

-K10000T0RintCintVin(9)

式(9)中,固定积分时间T1=10000T0(T0为

时钟周期)。在此阶段基准电容CREF对电阻R放电。外接电阻R正是为了对铂电阻温度特性的二次非线性项进行校正而设置的。此阶段完成时,CREF两端电压为:

UCREF(T1)=VREFe-T1RCREF(10)

式(10)中, VREF为t=0时电容CREF两端电压值。

将式(10)在t=T1处按马克劳林公式展开,若

选取适当参数,则有:

UCREF(T1)=VREF(1-1RCREFT1) (11)

在反向积分阶段,基准电容CREF两端电压又被内部积分电路进行反向积分,在整个T2阶段UCREF(t)可认为是线性的,T2结束时积分器输出又回到零位,因此有:

1000T0Aq2+ 10000T0Bq=12VREFRCREFT22-VREFT2(12)

令等式两边常量对应相等,则有:q=T2。若已知T0,A,B, VREF,CREF,则可求出电阻R。在T2时间内,对A/D转换器进行时钟计数,并以数字化量输出,从而定量地将被测温度值反映出来,实现电路的数字化测量。

(2) ICL7135外围元件的参数选择[2,4]积分电阻Rint取100kΩ,积分电容应取0·47uf,自动调零电容的典型值为1uf,基准电容的典型值为1uf。

1·3 ICL7135与单片机87C51接口的新方法

ICL7135是利用它具有多重动态扫描的BCD码输出来读取A/D转换结果,这样既费时,又占用较多口线。在测控仪表中,尽量少占用微处理器I/O口线,以最少原器件、完成尽可能多的任务是十分必要的。利用ICL7135的“BUSY”端,只需占用单片机87C51的一个I/O口和内部的一个定时器,就可以在十几微秒的中断服务程序中把ICL7135的A/D转换值送入单片机内。若87C51的时钟采用12MHz晶振,在不执行movx指令的情况下,ALE是稳定的2 MHz频率,将ALE经过16分频可得到125kHz的频率供给ICL7135时钟输入端。T0规定为定时方式1,以满足ICL7135的19999满量程要求。ICL7135在A/D转换阶段,状态输出引脚“BUSY”为高电平,表明A/D转换器正处在信号正向积