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鉑電阻測溫電路的線性化設(shè)計方法
摘要：介紹一種基于A/D轉(zhuǎn)換原理的鉑電阻測溫的非線性校正方法，分析了鉑電阻線性測溫的原理，并給出了A/D轉(zhuǎn)換器7135與單片機(jī)89C51接口電路及試驗數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：鉑電阻，測溫電路設(shè)計，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換非線性校正，數(shù)據(jù)采集
一、引言
鉑電阻溫度傳感器，因其測量范圍大，復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛使用。
在精密測量系統(tǒng)中，鉑電阻測溫系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：鉑電阻信號通常通過橋式電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過放大及A/D轉(zhuǎn)換后送微處理器進(jìn)行處理。為了能對鉑電阻測溫的非線性進(jìn)行校正，作者利用雙積分A/D轉(zhuǎn)換原理，設(shè)計了一種高精度的鉑電阻測溫非線性校正方案。實(shí)踐證明，該方法不僅性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，而且在0～200℃范圍內(nèi)準(zhǔn)確度可達(dá)到0.15%FS±4字。
二、非線性校正原理
因為鉑電阻經(jīng)橋路檢測后，其輸出電壓UM與被測溫度q之間具有函數(shù)關(guān)系：
式中：A，B為常系數(shù)。如果能構(gòu)造成一個函數(shù)電路，使其具有與上式相同的函數(shù)形式：
同時使UM=UN，則容易得出q=t（這里，“q=t”僅有數(shù)學(xué)意義，實(shí)際上它們的量綱是不一樣的）。這樣，在UM=UN的前提下，溫度q的測量問題就轉(zhuǎn)化為對時間t的測量了。
以上是本文闡述的以變量變換的形式實(shí)現(xiàn)傳感器非線性校正的設(shè)計思想。這里t的量綱為時間，其測量過程是通過雙積分A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的。雙斜率積分轉(zhuǎn)換表達(dá)為：
(1)式中：Uin—A/D轉(zhuǎn)換時模擬輸入電壓，
T1—A/D轉(zhuǎn)換過程中正向積分時間，
T2—A/D轉(zhuǎn)換過程中反向積分時間，
Uref—A/D轉(zhuǎn)換時參考輸入電壓。
當(dāng)Uref為定值時，Uin與T2具有線性關(guān)系，因此這種情況下可以認(rèn)為A/D輸出結(jié)果為：
T2 = T1Uin / Uref .
假定Uref(t)為時間t的函數(shù)：Uref(t)=M Nt (2)
其中：M，N為待定常系數(shù)。
A/D轉(zhuǎn)換后的輸出結(jié)果若能完全補(bǔ)償鉑電阻溫度非線性，則有：Uin=aq Bq2 (3)
故將式（2）和式（3）代入式（1），
假設(shè)：AT1=M，BT1=N/2,
則有：T2與q在數(shù)值上大小相等，即T2=q，可見實(shí)現(xiàn)了鉑電阻的溫度與數(shù)字量線性轉(zhuǎn)換。
可以看出，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，模擬電壓輸入與數(shù)字量輸出之間不是線性關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系剛好與Rq—q關(guān)系相反，當(dāng)其特性實(shí)現(xiàn)了相互完全補(bǔ)償時，就能獲得線性q/T2轉(zhuǎn)換。顯然，利用雙積分A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)非線性校正的關(guān)鍵是應(yīng)能滿足式（3）所表征的函數(shù)關(guān)系。本方案采用RC回路極其簡單地達(dá)到了該目的。
2. 高精度 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135
鉑電阻測溫電路線性化設(shè)計的實(shí)現(xiàn)采用了4位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135。ICL7135每一個轉(zhuǎn)換周期分為三個階段：自動調(diào)零階段、被測電壓積分階段、對基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行反積分階段。下面結(jié)合鉑電阻溫度測量分析ICL7135的工作過程：
(1)正向積分階段ICL7135與89C52接口電路原理圖如圖2所示。在此階段，ICL7135對Uin進(jìn)行定時積分，固定時間T1=10000T0（T0為時鐘周期）。積分器的輸出電壓為：
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