PT100双通道传感器测温设计.doc

PT100双通道传感器测温设计 　　摘要:温度测量在现代电子设备中是极其普遍和重要的环节,PT100以良好的线性和精度被工程师广泛用于各种产品设计中。针对PT100在数字采集的应用,本文围绕激励、采集方式和软件计算详细描述了设计思路。 　　关键词: C51;PT100;温度测量;AD7705 　　中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)27-7803-02 　　 　　1 概述 　　 　　PT100广泛用于各种产品、设备之中,其结构一般是用铂丝在陶瓷等绝缘支架上绕制而成,PT100与热电偶不同,属于无源传感器,需要额外的激励来产生电信号输出。 　　PT100的激励设计必须小心谨慎,激励电流会产生自热,回路导线和接插件的接触电阻的影响还是不能忽略的;虽然PT100的线性度很好,二次项系数在许多高精度测量环境中还是不能忽略。鉴于现在电路设计中数字电路的适用规模在不断扩大,模拟和数字电路经常无法有效的分开设计,这种混合电路设计对模拟部分,尤其是地线的拓扑结构,都提出了较高的要求。 　　鉴于以上特点,笔者在设计该类电路中的设计原则是:简单!环节越少越好,能数字处理的就不用电路实现,这样就避免了电路设计、调测的难度,也降低了因器件的个体差异带来的离散性。以下内容就传感器的激励、采样方式和布线进行探讨。 　　 　　2 原理分析 　　 　　在现在电磁干扰大部分都很严重的条件下,电流激励方式由于其很好的抗干扰性能而被普遍采用。交流和直流激励源都能很好的满足激励的要求,在满足设计要求的前提下,加上数字滤波等技术处理,直流激励完全能满足大部分产品的技术要求。 　　传感器信号的采集是通过ADC来量化实现的,如果ADC的基准和激励源共用同一个基准,转换过程采用和基准无关的比率工作方式,将会大大提高转换精度和准确度。由于公用基准源,若传感器测量的变量没有改变,则ADC的数字输出量就不受激励源(基准源)的波动而变化,也没有非比率工作方式的需要两个高精度基准的定标问题。比率工作方式允许利用系统的模拟电源进行调理和量化,可以获得与电源稳定性无关的高精度测量,现在许多SOC芯片上ADC的并没有单独的基准,比率工作方式就能让这类芯片同样获得较高的测量精度。因此,工程师在设计高精度、高分辨率的数据采集系统时,要牢记在有条件的场合下优先采用比率工作方式。 　　热电偶的布线方式有2-3-4线三种方式供选择使用,,在合理选择性价比的情况下,减小回路分布电阻对结果测量误差是布线方式基本的选择依据。其中四线方式主要是依靠差分放大器的高阻抗输入来实现高精度测量的目的, 　　导线和芯片已经不是决定传感器价格主要因素,因此如果利用有高阻输入的差分的放大器或AD转换芯片,4线是值得推荐的方式。 　　 　　3 电路设计 　　 　　根据以上各种情况的分析,笔者采用价格相对便宜的AD7705来实现PT100的采集电路设计(如图一)。在AD7705的设计方案中,PT100的线性修正是用软件来实现的,图中可以清楚的看到ADC的基准和两路信号分别是来自激励电流在R4和两个PT100上形成的压降,整个ADC侧的输入都是高阻特性,传感器回路的分布电阻对测量结果影响极小。 　　电源系统是5V供电,首先是确定温度范围:粗略估算要测量的范围是0℃-250℃,PT100的最大阻值将近200欧姆,内部放大器的增益设定为32,则R4阻值要大于32x200=6.4K欧姆,选用常用阻值整定为6.8K;激励电流控制在0.5mA左右,对于该5V系统就要求回路电阻约10K左右,因此选用常用阻值3.3K;AD7715的基准和采样端都是高阻输入,为选择阻容参数提供了更大的自由度,可以根据采样率的要求灵活选用。整个电路设计就这么估算就能完成,余下的事情就是如何用软件采集和计算对应的温度了。 　　 　　4 软件设计 　　 　　我们先从计算公式入手分析软件的具体内容(下面主要分析0℃以上的计算): 　　铂热电阻的温度特性.在0~200℃范围内 　　 Rt=R0*(1+A*t+B*t2) (1) 　　其中 令f(t)=(1+A*t+B*t2);A=3.90802E-3; B=-5.802E-7。 　　AD采样中的电阻计算公式为: 　　 Rt=[Rref*(ADC/ADCmax)]/GAIN(2) 　　其中: Rref是 图一中的标准电阻R4; 　　GAIN是AD7715内部的放大器增益设定32; 　　ADC是模数转换结果;ADCmax是其最大值。 　　以上两个公式联立得到: 　　R0*f(t)=[Rref*(ADC/ADCmax)]/GAIN; 　　我们把常量集中在一起: 　　f(t)=[Rref/(ADCmax*GAIN*