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铂电阻的非线性补偿方法研究.pdf

铂电阻的非线性补偿方法研究

Vereesa
2011-12-02 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《铂电阻的非线性补偿方法研究pdf》,可适用于工程科技领域

武汉工程大学硕士学位论文铂电阻的非线性补偿方法研究姓名:郑耀中申请学位级别:硕士专业:检测技术与自动化装置指导教师:文小玲摘要摘要温度检测对于国民经济等各领域有着非常重要的意义和价值因此良好的温度检测系统对于温度检测来说就显得尤为重要。本文研究的温度检测系统就是为了完成本单位温度检测工作。由于工作要求精度高测量范围广需要研制一种方便的以精密铂电阻为标准传感器的高精度数字温度检测系统。精度问题是本系统需要解决的一个非常重要的问题要求检测精度达N土o.℃以上。本文首先简要介绍TN温的方法、特点及测温铂电阻的特性。在此基础上结合系统的实际指标和要求设计了能够提高铂电阻测温精度的硬件检测电路同时通过数学方法直接寻求铂热电阻的T(d)函数关系对铂电阻在测量过程中可能产生的误差在T(d)函数中给予补偿使铂电阻在对温度测量时测量精度大大提高。由于本课题是在对现有测温硬件系统改进的基础上用数学方法进一步提高测温精度的所以本课题所用到的方法在高精度测量领域中具有很高的针对性和实用性。关键词:铂电阻温度测量非线性曲线拟合分段最d',Z乘法AbstractAbstractTemperaturemeasurementhasaveryimportantsignificanceandvalueforthenationaleconomyandotherareasSOitseemsparticularlyimportantfor”temperaturemeasuresystem.Thetemperaturemeasuresysteminthepaperistocompletetheworkoftemperaturemeasurement.Becauseoftherequirementforhighaccuracyandwidemeasurerangeitdemandsakindofhighprecisiondigitaltemperaturemeasuresystemwhichtakesprecisionplatinumresistanceasstandardsensor.Theproblemofaccuracyisaveryimportantissuetobesolvedanddetectionaccuracyis士O.。Cabove.Thepaperfirstintroducesthetemperaturemeasurementmethodscharacteristicsandthecharacteristicsofplatinumresistance.WedesignahardwaredetectioncircuittoimprovetheaccuracyofprecisionplatinumresistancebasedonthecombinationofindicatorssystemandatthesametimefindT(d)functionofplatinumbymathematicalmethodwhichcancompensateerrorinthemeasureprocessofplatinumtoimprovemeasurementaccuracyThetopicmakesuseofmathematicalmethodstofurtherimprovetheaccuracyoftemperaturemeasurementonthebasisofimprovedhardwaresystemSOthemethodinthetopicishighlytargetedandpracticalintheareaofhighprecisionmeasurement.Keyword:PlatinumresistanceTemperaturemeasurementNonlinear,CurvefittingSubleastsquaresmethodIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:耕嗜出咖岱年多月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定即:我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密O在年解密后适用本授权书。本论文属于保密o。学位论文储虢獬蝴、膊易月弓日’指导教师签名:Oc小卵础月多Et第一章概述第一章概述.国内外温度检测技术研究现状温度是在工业、农业、国防和科研等部门中应用最普遍的被测物理量。有资料表明温度传感器的数量在各种传感器中位居首位约占%左右。因此温度测量在保证产品质量提高生产效率节约能源安全生产促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用【。..常用的温度测量方法根据测温方式的不同温度测量通常可分为接触式和非接触式测温两大类【。接触式测温的特点是感温元件直接与被测对象相接触两者进行充分的热交换最后达到热平衡此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等温度计就可据此测出被测对象的温度。因此接触式测温一方面有测温精度相对较高直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触从而影响被测介质热平衡状态而接触不良则会增加测温误差被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转换的原理接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。非接触式测温的特点是感温元件不与被测对象直接接触而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换据此测出被测对象的温度。因此非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布热惯性小测温上限可设计的很高便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点【。两类测温方法的主要特点如下表.所示。武汉T程大学硕士学位论文表.两种测温方法的主要特点方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触感温元件的需准确知道被测对象表面发射加入几乎不改变对象的温度被测温度小超过率被测对象的辐射能充分照感温元件能承受的上限温度被测对象不对感射到检测元件上温元件产生腐蚀测量范围特别适合。C以下、热容大、无腐蚀性对原理上测量范围可以从超低温象的连续在线测温对高于"C以上的温度到极高温但℃以下测测量较困难量误差大能测运动物体或热容小的物体温度精度工业用表通常为.、.、.及.级实验通常为.、.、.级室用表可达.Ol级响应速度慢通常为几十秒到几分钟快通常为~秒钟其他特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护整个测温系统结构复杂、体积方便、价格低廉仪表读数直接反映被测物体大、调整麻烦、价格昂贵仪实际温度可方便地组成多路集中测最与控制表读数通常只反映被测物体表系统面温度(需进一步转换)不易组成测温、控温一体化的温度控制装置从温度检测使用的温度计来看主要包括以下几种【】:.利用物体热胀冷缩原理制成的温度计利用物体热胀冷缩制成的温度计分为如下三大类:()玻璃温度计:利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、煤油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量。()双金属温度计:采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在上一起制成的双金属片作为感温元件当温度变化时一端固定的双金属片由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度。()压力式温度计:由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化压力发生相应变化用弹簧管压力表测出它的压力值经换算得出被测物质的温度值。.利用热电效应技术制成的温度检测元件利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早比较第一章概述成熟至今仍为应用最广泛的温度检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种。()镍铬一镍硅型号为WRN分度号为K测温范围.℃短期可测℃。()镍铬康铜型号为WRK分度号为F测温范围短期可测℃。()铂铑一铂型号为WRP分度号为S在。C以下的温度可长期使用短期可测℃。()铂铑旺铂铐型号为WRR分度号为B测温范围。C短期可测℃。.利用热阻效应技术制成的温度计用热阻效应技术制成的温度计可分成以下几种:()电阻测温元件它是利用感温元件(导体)的电阻随温度变化的性质将电阻的变化值用显示仪表反映出来从而达到测温的目的。目前常用的有铂热电阻和铜热电阻。()半导体测温元件它与热电阻的温阻特性刚好相反即有很大负温度系数也就是说温度升高时其阻值降低。()陶瓷热敏元件它的实质是利用半导体电阻的正温特性用半导体陶瓷材料制作而成的热敏元件常称为PCT或NCT热敏元件。PCT热敏元件分为突变型及缓变型二类。突变型PCT元件的温阻特性是当温度达到顶点时它的阻值突然变大有限流功能多数用于保护电器。缓变型PCT元件的温阻特性基本上随温度升高阻值慢慢增大起温度补偿作用。NCT元件特性与PCT元件的突变特性刚好相反即随温度升高它的阻值减小。.利用热辐射原理制成的高温计热辐射高温计通常分为两种。一种是单色辐射高温计一般称光学高温计另一种是全辐射高温计它的原理是物体受热辐射后视物体本身的性质能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少与它的温度有一定的关系。热辐射式高温计就是根据这种热辐射原理制成的。武汉工程大学硕士学位论文..国内外温度检测技术现状及发展趋势近年来在温度检测技术领域多种新的检测原理与技术的开发应用已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善它们主要有以下几种:.晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大l~个数量级二极管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理己研制了各种温度检测元件。.集成电路温度检测元件利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性)进行温度检测并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体封装于小型管壳内即构成了集成电路温度检测元件。目前国内外也进行了生产。.核磁共振温度检测器所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时当与静磁场垂直方向加以电磁波会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器称为核磁共振温度检测器。这种检测器精度极高可以测量出干分之一开尔文而且输出的频率信号适于数字化运算处理故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下可作理想的标准温度计之用。.热噪声温度检测器它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性。其特点如下:()输出噪声电压大小与温度是比例关系()不受压力影响()感温元件的阻值几乎不影响测量精确度因此它是可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。.石英晶体温度检测器第一章概述它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它可以自动补偿石英晶片的非线性测量精度较高一般可检测到.℃所以可作标准检测之用。.光纤温度检测器光纤温度检测器是目前光纤传感器中发展较快的一种己开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。它是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制成的双折射光纤温度检测器检测精度在士℃以内测温范围可以从绝对。C到℃。.激光温度检测器激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量用氮氖激光源的激光作反射计可测得很高的温度精度达l%用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度上限可达℃专门用于核聚变研究但在工业上应用还需进一步开发和实验。.微波温度检测器采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。它是利用在不同温度下温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为kHZ/。C精度为%左右检测范围为~℃。从以上材料可以看出当前温度检测的发展趋势组合要集中在以下几个方面:a.扩展检测范围现在工业上通用的温度检测范围为一~℃而今后要求能测量超高温与超低温。尤其是液化气体的极低温度检测更为迫切如K以下的温度检测是当前重点研究课题。b.扩大测温对象温度检测技术将会由点测温发展到线、面甚至立体的测量。应用范围己经从工业领域延伸到环境保护、家用电器、汽车工业及航天工业领域。C.新产品的开发利用以前的检测技术生产出适应于不同场合、不同工况要求的新型产品以满足用户需要。同时利用新的检测技术制造出新的产品。武汉工程大学硕士学位论文d.加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。如近来已经开发的炭化硅薄膜热敏电阻温度检测器厚膜、薄膜铂电阻温度检测器硅单晶热敏电阻温度检测器等。e.向智能化、集成化、适用化方向发展。新产品不仅要具有检测功能又要具有判断和指令等多功能采用微机向智能化方向发展。向机电一体化方向发展。.课题的工程背景在工业领域温度、压力、流量是最常见的三大被检测的物理参数其中最广泛的还是温度量的测量随着电子技术、计算机技术的飞速发展对现场温度的测量也由过去的刻度温度计、指针温度计向数字显示的智能温度计发展而且对测量的精度要求也越来越高【】。当然对不同的工艺要求其测量的精度要求不尽相同这些是显而易见的譬如在测量电机的轴温时可能测量的允许差达l℃以上但在某些场合温度的检测与控制需要达到很高的精度。以化工生产中联碱行业为例联碱外冷器液氨致冷技术作为年代中期化工部重点推广的技改项目之一已被各联碱厂相继采用并在生产实践中得到不断改进已成为业内公认的一项成熟、有效的节能降耗技术。但至今仍存在外冷器生产能力偏低、运行周期短和节能效果不理想等问题。而外冷器进出口母液温差是影响外冷器生产能力和运行周期的一个重要因素从长期的生产经验看混合溶液每次流经外冷器时进、出口温差以O.C为宜。因此精确测量与控制通过外冷器混合溶液的进、出口温差是指导该生产工艺的一个重要环节【】。事实上由于精度要求较高在实际生产中该环节的温差测控问题一直没能得到很好解决。经调研知在全国范围内几乎所有化工集团的联碱行业的生产情况都如此他们迫切希望能解决这一问题。在其它许多场合(如发酵工艺)中温度的准确测量与控制同样具有相当强的实践指导作用r。目前虽然国内外已有很多温度测控装置但温度测量的精度达到O.℃并能适用于类似制碱工艺要求的外冷器低温差的精确检测与控制在国内尚属空白。该课题的研究能实现外冷器温差的高精度检测与控制可推广应用到第一章概述其它化工生产过程及其相关领域中需要对温差与温度进行高精度实时测控的场合。因此研发高精度温度与温差测控系统具有很好的应用前景。本选题是在省教育厅科研项目“高精度智能温度测控系统的研究"的基础上专门针对如何消除热电阻测温存在的非线性误差、提高测温精度以满足实际需要而进行的一项研究。本课题的研究具有很高的针对性它以数据采样硬件系统为基础寻求传感器经过模数转换转换后的数字信号和对应的标准温度计读数之间的关系再用相应的补偿方法予以处理具有很高的精度。并且本课题所用到的误差补偿方法只要作适当的调整也可用于其他高精度测量领域。.温度测量系统的主要性能指标作为高精度温差与温度测控系统必须做到功耗低、成本低、可靠性高。不仅应能进行外冷器低温差的精确检测与控制而且能适用于其它要求测、控温精度高和范围宽的场合。该系统的主要技术指标如下:测量范围:O~℃分辨率:O.℃测温精度:O.℃。第二章传感器的选取及系统总体设计第二章传感器的选取及系统总体设计.传感器的选取由于铂热电阻精度高、灵敏度高、性能稳定在中、低温测量中占有重要的地位它不仅广泛应用于工业测温而且被制成标准的基准仪。而本系统的温度测量范围为v℃因此首选铂电阻作为温度传感器【。按电阻一温度特性的不同热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类【】。本系统选用的铂电阻属于金属热电阻而热敏电阻是属于半导体电阻。与热电偶、热敏电阻相比铂的物理、化学性能非常稳定尤其是耐氧化能力很强离散度很小精度最高灵敏度也较好。铂电阻的主要优点是。电阻率较高易于提纯复制性好易于加工可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。其缺点是:电阻温度系数小在还原性介质中工作易变脆价格昂贵。由于铂具有一系列突出优点是目前制造热电阻的最好材料。在年国际实用温标(ITS一)中规定在一.~.℃温度范围内以铂热电阻作为标准仪器传递从.K到.K温度范围内国际实用温标【】。在我国根据《中华人民共和国国家计量检定规程工业铂、铜热电阻》中的规定铂电阻的电阻温度关系如下。对于一~O℃的温度范围:R(垆哦(O)’AtBtC(t)t】对于~℃的温度范围:月(力=尺(O)‘(A什B产)式中:R(O:在温度为f℃时铂电阻的电阻值Qf:温度℃尺(O):在温度为O'C时铂电阻的电阻值QA:常数其值为.x℃B:常数其值为一.x。℃武汉工程大学硕士学位论文C:常数其值为..x。℃然而铂电阻自身存在的非线性和不平衡电桥的非线性会给测量带来误差。如果不解决非线性误差问题铂电阻高精度、高灵敏度的优势就无法体现甚至会影响整个系统的可行性和可靠性。因此必须对铂电阻的补偿方法进行研究以提高其测温精度这也是使高精度智能温度测控系统正常工作的前提条件。.温度采集系统总体方案设计如图.温度采集系统主要由前端检测电路、控制器、输入输出设备、上位机及其它外围辅助电路组成。由于系统误差主要来源于前端检测电路故本文主要介绍前端检测电路的设计方法和原始采集数据的处理过程。图.温度采集系统总体方案通常前端检测电路主要有信号采集放大电路信号滤波电路AD转换电路以及辅助恒流源、电压基准电路组成。本文在设计前端检测电路时电压信号是由Ptl的电阻改变量与流过其的电流乘积再经过放大得到的。如果不作一定的处理Ptl供电的电流源稍有扰动经过放大器放大后的电压信号就会有很大改变。为此在Ptl和ADC之间用一个电压控制电流源(VCCS)来使其间建立联系使它们间呈一定的线性关系这样就使电压信号经过模数转换器转换后的数字信号不会因电压的不稳而带来干扰从而排除了由于电源不稳定而造成误差的可第二章传感器的选取及系统整体设计能性。系统在具体工作时由于热电阻的阻值会随着温度的增加而增加当有电流流过热电阻时就会产生一个电压信号。此电压信号经放大器放大再经低通滤波送入模数转换器转换为数字信号。前端检测电路可以分为三个部分:Ptl传感器的信号测量及放大电路、精密恒流源电路、AD转换电路。第三章前端检测电路的设计第三章前端检测电路的设计前端温度检测电路主要分为个模块:Ptl传感器的信号采集及放大电路恒流源电路AD转换电路。.前端检测电路的设计要求为了减小铂电阻的接触电阻和引线电阻对其的影响铂电阻可采用三线制或四线制的连接方式即将热电阻接到电桥的一个桥臂上通过测量不平衡电桥的输出得到温度值.在这种方法中铂电阻的非线性和不平衡电桥的非线性会给测量带来误差【。而且铂电阻作为温度传感器使用时必须把它放在测温现场从测温点到测量变换电路之间的布线长度少则几米多则几十米甚至上百米这样长的连接导线即使不计热噪电阻它自身的引线电阻也是相当可观的.如一m长的连接导线引线电阻一般为~Q。而对常用的Ptl铂电阻来说温度的变化率约为.D./℃与该变化率相比引线电阻对测量精度的影响也很大。本章针对传统三线制温度测量引起误差的原因提出对电路的改进方法从而降低非线性误差【l】。.常用的设计方法简述..常用温度测量电路大多数温度检测电路中采用恒流源或恒压源也有的提到用比例法其实质是采用恒流源或恒压源对温度传感器供电只是在最后消除电压或电流的影响【】。图.所示是一种采用Ptl三线制接法和恒流源供电的采集电路为了减小元件热效应的影响恒流源提供的电流应不大于mA。武汉工程大学硕士学位论文图.普通三线制测温电路从图.可知:当尺。般欲时通过Ro和尺的电流相等。Ut=A·Sct·△Rt(.)式中A为运放电压增益k为恒流源输出电流△风为铂电阻Ptl相对于。C时的电阻变化值。但在上述电路中由于引线存在电阻而且引线的电阻温度系数较大当环境温度发生变化时其阻值也随之发生变化因而环境温度变化会造成较大的测量误差。..有源电桥温度采集电路若采用图.所示电路因引线存在电阻而且引线的电阻温度系数较大当环境温度发生变化时其阻值也随之发生变化因而环境温度变化会造成较大的测量误差。要消除以上影响可将电路改进至图.所示测温电路【。第三章前端检测电路的设计五霹事图.有源电桥温度采集电路设R/R=m厶=U/RF则有uo=一(厉H)(尺t局)Ul=一(IoIi)(RtRnRiz)Uz=(肌)‰一mUl=一(Io)(RtRumRi)U=一Rn/R一Vc冰f侬(.)设K=Rfl/R整理后得:u.=生整!墨二鱼±互二竺垒(.)‘lK/RF(R巧一mrs)若使得RllmRl产则有砂=IoK(RtRo)(.):、一KRt|RF因为引线材料长度都相同所以有R=R这样只需保证m=l即R镏就可以消除引线电阻的影响。该电路在理论上可以完全消除引线带来的测量误差但是由于电桥稳定性依赖于组成有源电桥的运算放大器故器件的性能直接影响了整个电路的测量精度。武汉工程大学硕士学位论文.电路的硬件设计..电路设计原理由..中分析可知采用有源电桥的测温电路在温度测量过程中存在一定的局限性为了扩大测量领域可以对该电路进行适当修改以满足不同场合的需要。改进电路如图.所示。图.改进的温度测量电路%=cH惫i告%t一鲁%。.s¨¨华(.)%叼华(.’令R=R=R镏彳镏姐将(.)式(.)式代入(.)式可得:%Ⅻ警心。蚴(.)第三章前端检测电路的设计()、由(.)式可知输出电压只与犬。两端电压差、电阻R和R有关因此测量精度不容易受到放大器本身影响。()、电路采用铂电阻驱动、测量回路分离的方式:其中局l、R所在回路为铂电阻驱动电路负责由电流源向铂电阻供电R、R所在回路为铂电阻测量回路负责采集铂电阻上的变化电压信号。(尺Il、R、R、尺为现场布线电阻)从图.中可以发现只要保证恒流源输出不变当温度发生变化时即使局l、尺发生变化也不会影响尺。上电压值同时采用U、U两个运放作为输入缓冲使得输入电流极小(几心)从而使尺、局的电阻变化产生的电压变化对输入电压影响几乎可以忽略即使是这样微弱的电压变化在(.)式中也会由于(UlUi)项的存在而相互抵消从而完全避免了由于现场布线及布线温度系数带来的误差。图.中电路存在的问题:(a)、由以上分析可知本电路只有在恒流源输出不变的情况下才能有高精度的测量效果所以恒流源的设计成为整个电路的重点所在。(b)、由于放弃了输入部分的电桥电路使得在O℃时输出电压不为零使输出部分的动态范围缩小不利于A/D转换电路部分的工作必须通过其他方法对此进行补偿。为了解决问题可在U后增加一个运放作为减法器用来抵消。C时铂电阻上所产生的电压。如图.中UoⅫ去c志此去叫∞若取Rf=Rl、R=R则式(.)可简化得:%(%%)(.)通过调整Rw改变矾的大小使得。C时%为零即可解决输出动态范围过小的问题。、恒流源的设计要想使得图.中电路达到高精度就需要一个高精度的稳定性好的恒流源k。本电路恒流源设计如下。武汉工程大学硕士学位论文精密直流电流源电路如图.所示图.精密直流电流源电路恒流源基本实现是:由电压基准芯片生成恒定电压‰经过集成恒流源LM输出恒定电流k。l、基本恒流源电路及计算、牛vlN图.基本恒流源电路LM的输出电流/sEa"是流过RsET的电流糸和LM的偏置电流IBIAS的和。对于大多数电流而言满足下式k(善)(.)uV/oK(.)I【【SETItSET上式表明恒流源只有在温度恒定时才是恒流的否则电流随温度变化。或者说当RsET确定后sEa"随温度线性变化。、零温度系数的恒流源通过对图.的电路做适当修改就可以构成抵消LM温度漂移的零第三章前端检测电路的设计温度系数恒流源。其中LM为正温度系数(约o.mV/。C)器件而硅二极管的正向偏压为负温度系数(约为一.mV/。C)。图中:Is盯f!IL飞飞IB‰SQ.)其中‘监厶盟墨‘R理想化条件下令IBIAs=O可得到下式:k厶厶对温度求导:dISETdItddTdTldTuV|oCuV|oC一jmV|oC≈喝必=一R≈.mV/。CuV/。C≈.(.。)一≈一≈\t).上墨uVoC即R=Rl为了降低电流热效应给电路带来的不利影响通常恒流源提供的电流不宜过大这里可取尽Ef=mA。若尽Efln认则需要使得:R=Q=RR=.IC.Q。电路如图.所示。图.零温度系数的电流源电路武汉工程大学硕十学位论文、A/D转换电路的设计模数转换器(ADC)是前向通道中的关键器件。它实现了将被测控对象的模拟信号(温度、压力、流量等)转换成计算机可以接受处理的数字量信掣。同时在A/D转换过程中带外杂散信号所引起的混叠现象是A/D转换器应用中所面临的一个关键问题如果没有适当的滤波处理这些信号会严重影响数据转换系统的性能指标【】。这就需要在设计A/D转换电路的时候加入抗混叠滤波器。设计抗混叠滤波器需要首先确定所希望的滤波特性(截止频率、过渡带衰减等)然后选择能够满足应用需求的最佳滤波方案(有时称为滤波器类型)。一般情况下采用过采样、而且过采样频率越高滤波器设计越容易。但是过采样需要更高速率的ADC成本也越高。基于以上分析本文采用抗混叠的A/D转换电路设计图.是A/D转换及其滤波方案本方案中采用了八阶低通椭圆滤波器MAX和位串行A/D转换芯片MAXl作为A/D转换电路的核心元件。“:‘:。l“椭分m、脚ll卯“bW●k·一^、}·’£÷。’{々’i图.带抗混叠滤波器的A/D采样电路第三章前端检测电路的设计..关键元器件的选取、运算放大器运算放大器选用的是国家半导体公司(NS)的LM高精度低温漂运算放大器。LMP放大器的输入补偿电压极低而且在较长时间及较广阔的温度范围内都可保持高达.pV/。C的稳定性。这款放大器芯片的共模抑制率、电源抑制比及开环增益都极高而且全部高达dB以上。LMP放大器的频带噪音较为平坦(nV/Hz)而且不会产生中频噪音【】oLM的主要性能指标:输入失调电压.aV电压漂移温度系数.aV/。C长期失调漂移.pV/month共模抑制比dB电源抑制比dBO阱鑫IH搠扩r嘣矿撤c.锐玎er/估allll,TopView图.U以P引脚配置l武汉丁程大学硕士学位论文塞萋垂OffsetVoL:圜leV.swpjtyVoitagnOlt∞t.ohg●VII.Common吼。由~一/簟●一I一●一乒簪一lI御泸C·一.盛’lo屯一硼毒.c毫=锹L.一甜C’。。’觞a拍...O量...,斟艄Y姻薯臌狮铆删慨VOL.T,氏GElv)图.失调电压与供电电压关系及普通模式下失调电压、电压基准芯片电压基准芯片选用MAXIM公司的V电压基准芯片MAX。MAX几项重要技术指标【】:.低温漂lpprn/。C.低噪声.aVpp的噪声(O.一lO赫兹)(见图.“).长时间稳定性好ppm/hr.低功耗lhw功耗.初始化精度士o.%.c。粥黼G№I..Lc.Ⅸ玎碣嘲图.MAX引脚配置磅eo口毒俯^~毗缆鼻吧HQ^’l攀‰o矗●o{O口西第三章前端检测电路的设计MAX$l|TPill"啪斑.V眦T矗EBE髂HlIf鸭。FRtQUEHCY妻雹多懈XSa.№抽明z啪隧婚鞴荆图.MAX在O.~lOHz处的噪声及CNR对输出电压噪声的影响MAX在这个系统中既是恒流源的参考电压也是AD芯片的参考电压。所以MAX的精度是这个测量系统精度的保证。而MAX的温漂小纹波噪声小(见图.)精度高所以稳压芯片选用MAX。当MAX工作在频率lOHz一kHz区间时NR脚接电容CNR与否直接影响了输出电压的输出噪声。在接电容(CNR=luF)后在Hz时输出噪声与未接电容(CNR=OuF)时相差不大但是到了Hz处CNR=luf的输出噪声为nV/Hz而CNR=uf的输出噪声是nV/Hz当频率>lOOHz时CNRl心的输出噪声为<nV/Hz而CNRO}lF的输出噪声是nV/Hz显然当在NR脚接上LaF的电容CNR能很好的改善MAX的输出噪声。MAX噪声抑制电容参考电路如图.所示。∞∞街力∞∞船∞∞竹O龉毫毫u协函a|slo三fknno武汉工程大学硕士学位论文甜.rvlNP沂。O阴O翔Al图.噪声抑制电容电路O忻三端可调恒流源LM是美国国家半导体公司生产的三端可调恒流源器件在工作电流内恒流源可调范围比为:并且具有V~V宽的动态电压范围恒流特性非常好。恒流源的建立只需一只外接电阻而不需要其他元件。该器件还具有与绝对温度(K)成正比的敏感电压特性通过一只电阻和二极管可以获得零温度漂移的恒流源【。TO一PlasticPackageVRVDSraegTlOBottomViewOrderNumberLMZ,LMZorLMZSeeNSPackageNumberZA图.TO一塑封LM底视图、抗混叠滤波器抗混叠滤波器选用的是美信公司(MAXIM)的㈣八阶低通椭圆滤波器。该滤波器仅需mA供电电流允许拐角频率HzvkHz使之能很好的满足低功耗抗锯齿和滤波的应用并提供dB的带阻抑制【】。第三章前端检测电路的设计coM焖GNDV如eu(SHDNosOU丁SC够DlP图.㈣引脚配置图.MAX组成的偏移可调电路、A/D转换器A/D转换器选用的是美信公司(删IM)的MAXl串行A/D转换芯片。MAXl是一款低功耗、位、逐次逼近型模数转换器(ADC)具有自动关断功能、片上MHz时钟、.V内部基准以及可以工作在快速和高速模式下的FC兼容线串行接口。MAXll采用单电源供电在.ksps最高转换速率下功耗为mW。可选的独立数字供电电压允许与.V至.V数字逻辑直接接口。MAXl使用内部MHz时钟对单路模拟输入进行单极性转换。满量程模拟输入范围由内部基准或外部提供的lV至AVDD基准电压决定【】。武汉工程大学硕士学位论文舳孵llEF删躬挺陷脚N黼捌幻图.MAXl引脚配置.电路抗干扰技术及措施系统的可靠性是由多种因素决定的其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。抗干扰性能的好坏将决定系统能否在复杂的工作环境下稳定可靠地工作从而决定了系统的实际使用价值。系统的干扰可以由各种线路侵入并以各种方式作用于系统中。其中供电线路是电网中各种浪涌电压入侵系统的主要途径系统接地不良或不合理亦可引入干扰各类传感器输入输出线路的绝缘不良均能引入干扰【】。印刷电路板是微机系统中元器件、信号线、电源线的高密度的集合体。印刷电路板设计必须符合系统抗干扰的设计原则印刷电路板设计的好坏对系统抗干扰能力有很大影响【。..印刷电路板的整体布局和电气连线一台性能良好的仪器除选择高质量的元器件、设计合理的电路外印刷线路板上元器件的正确布局和合理的电气连线都至关重要。正确的布局和合理的电气连线既可消除因元件布置和电气布线不当而产生的噪声干扰同时也便于生产中的安装、调试与检修。l、印刷电路板的布局印刷电路板的几何尺寸受到仪器机箱外壳大小的限制大小要适中这样有利于元件放置和电气连线。印刷电路板尺寸过大则印制线条加长阻抗增加抗噪声能力下降成本也增加尺寸过小则电路板散热性能不好第三章前端检测电路的设计且邻近导线间容易产生交叉干扰。在确定PCB尺寸后首先必须确定印刷电路板定位孔或固定支架安装孔的位置以及一些特殊元件位置。然后根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行整体布局将模拟电路区(对噪声和干扰敏感的区域)功率元件区(干扰源)数字电路区(即产生干扰又怕受到干扰)合理的分开。布局时以每个功能电路的核心元件为中心围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量把相互有关的器件放的靠近些例如石英晶体振荡器和CPU的时钟输入端都易产生噪声应尽可能相互靠近同时将石英晶体振荡器的外壳接地。I/驱动器件、功率放大器件应尽量放置在印刷电路板的边缘部分尽量靠近引出的接插件的位置。容易产生噪声的器件、大电流电路等应尽量远离系统中的逻辑电路如有可能可设计在另外一块电路板上。、印刷电路板的电气连线电气连线方面首先要求尽量缩短各元器件之间的引线。在印制导线拐角一般取度折线或圆弧形避免采用直角拐弯这样可以减小高频信号的对外发射。此外时钟信号区或噪声敏感器件下应尽量避免走线时钟信号区下尽可能有大面积的地。同时A/D转换器的参考电源输入端尽量远离数字电路的信号线尤其是高频时钟信号线。模拟电路和数字电路部分的走线也应避免交叉。最后应避免在电路板上打太多的过孔太多的过孔会对电路板的电气特性和机械性能产生不良的影响。..电源和地线设计相当多的干扰源是通过电源和地线产生的良好的电源和地线的设计可以大大提高系统抗干扰性能【】。在印刷电路板设计时应根据印制线路板电流的大小尽量加粗电源线的宽度减少环路电阻。同时应使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致这样有助于增强抗噪声能力。此外在电子产品设计中接地是控制干扰的重要措施。电子产品中地线结构大致包括:系统地、机壳地屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点:武汉工程大学硕士学位论文l、正确选择单点接地与多点接地低频电路的地应尽量采用单点并联接地实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地地线短而粗。高频元件周围尽量采用大面积栅格状的地如有可能要尽量加大线性电路的接地面积、数字地与模拟地分开电路板上既有高速数字逻辑电路又有线性模拟电路应使它们尽量分开两者的地线不要相互混淆并分别与电源端的地线相连。、接地线应尽量加粗若接地线用很细的线条则地线的公共阻抗明显加大不同地点的地电位则随地线上电流的加大会造成很大的差异使得系统整体性能大为下降。因此应尽可能的将地线加粗。..“去耦”电容的配置在印刷电路板的各个关键芯片上配置“去耦”电容是抗干扰设计的一种常规方法【在本电路中采用的有:、电源输入端接~.tF的电解电容。在本电路电源部分接入了F的电解电容以降低电源波动对电路的不良影响。、在每一个集成电路芯片上配置一个.lxF左右的“去耦”电容这样可以较好的滤掉来自电源的高频噪声。此外“去耦"电容作为储能元件还能吸收由于IC内部三极管导通、截止引起的浪涌电流的变化从而降低系统噪声。因此在本设计中集成电路芯片供电引脚和接地脚都配置了相应的去耦电容。、电容的引线不能太长。综合以上论述前端检测电路整体方案见附录。.硬件仿真在电路设计完成后为了进一步检验电路的性能可以对电路进行仿真测试在仿真结果满足要求的情况下再完成实际电路的制作。第三章前端检测电路的设计..仿真软件简介本文选用NI公司的MULTISIM软件对设计结果进行仿真是交互式SPICE仿真和电路分析软件的最新版本。专用于原理图捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。这个平台将虚拟仪器技术的灵活性扩展到了电子设计者的工作台上弥补了测试与设计功能之间的缺口。通过将NIMultisimlO.O电路仿真软件和LabVIEW测量软件相集成需要设计制作自定义印制电路板(PCB)的工程师能够非常方便地比较仿真和真实数据规避设计上的反复减少原型错误并缩短产品上市时间。工程师们可以使用Multisim.交互式地搭建电路原理图并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。..仿真对比测试在电路仿真的过程中本文采用传统三线制温度采集电路和改进后的电路分别进行仿真再将结果进行比较。首先对图.中电路进行仿真其中足的取值接近。C时标准铂电阻的电阻值以便观察是否能接近A/D转换所需要的参考电压值。(标准Ptl电阻值分度表如图.)武汉【。程大学硕士学位论文PTl分度裘l∞∞Ofl.∞.I崛贸II.Jn"醅斟.B....,i.∞l∞髑‘掘l仿真结果如图图Ptl分度表r崎图.普通三线制线路的仿真结果从仿真结果来看在"C时电路输出结果.V非常接近于MAXll使用的参考电压V能够保证动态范围足够大。同时在图中将RLl、Rza、盅的值由fl改为.q来模拟实地布线长度的改变以及其他因素引起的导线电阻的变化对输出结果的影响。仿真结果如图.第三章前端检测电路的设计幽改变布线电阻后的仿真结果从两次仿真结果可以看到当RL由lOn变为n时输出结果由原来的V变为.V变化率达到%。通常情况下铜导线的温度系数约为O./'C即每升高℃导线电阻会增加.%。那么这里以室外温度每变化℃为标准(即电阻变化%)对电路进行测试。经过多次仿真可以得到布线电阻变化与输出电压的关系如表.所示:表l布线电阻变化引起的输出电压变化大小RL(fD.lll】f输出电压(v)}变化率%O%l%%%从仿真数据来看布线电阻变化对输出的影响呈非线性并且在电阻取.f时达到最大值对输出影响超过%。而根据技术指标~"C的测温精确度要达到O.。C即误差应该远小于%才能达到设计要求而普通三线制测温电路显然远达不到设计要求。接下来将本文的改进电路进行仿真如图.释一武汉工程大学硕十学位论文囤改进的测温电路零点输出电压图巾需要说明的是由于元件库中没有LM系列元件可以选用所以使用了高精度运放OPGP替代精密恒流源由一提供lmA恒定电流的独立电流源替代U反向端的可调零点补偿电路用电源手动调节替代以保证零点输出为零。从图上可以看出当船Q时输出基本为零。同时当Rt=Q时仿真结果如下图:通过图.和图.对比可知通过运放U的电压补偿可以使输出电压控制在V,.V的范围内变化保证了AD转换的动态范围。第三章前端检测电路的设计圈.测量温度为"C时仿真结果同样的接下来测试布线电阻对输出的影响同样改变R。的大小得到仿真结果如r图:图抛布线电阻对改进电路输出电压的影响从仿真结果来看尽管改变了布线电阻的大小输出结果依然不变由武汉工程大学硕士学位论文于仿真软件的限制无法得知是否更低位发生变化但就此结果来看如果有变化变化量也必然小于.V也就是变化量不会大于.%即低于设计要求的O.%。为了进一步验证这个问题将凡电阻改为f/也就是导线电阻变化%的情况仿真结果如下:①‰R柠白nl瑞n嚣d划广=‘歪图布线电阻为循j时的仿真结果从仿真结果可以发现输出电压依然没有变化因此可以说本文中使用的电路能够满足技术指标的要求。通过对传统电路的分析和计算本章先叙述了改进的温度测量电路在理论上能够达到更高的精确度和稳定度的原因。为了验证这一结果又利用MULTISIM软件对传统电路和改进电路分别进行了同条件下的对比测试。从测试结果上来看可以非常直观的看到改进后的电路在各方面更加完善能够满足技术指标对于硬件的要求。墓一口oⅣ口}dl、靠嚣鼽i第四章数据采集及处理第四章数据采集及处理.原始数据采集..原始数据采集平台的搭建由于本课题研究的是丁似/)函数关系它的误差主要来源于数据采集的过程【。其中输入信号的变化直接影响输出的变化而评价整个系统的精确性正是由输出信号决定的所以数据采集平台的搭建是保证数据最小失真的关键所在它的好坏直接评价系统的性能。所以数据采集平台的搭建是至关重要的。为此从尽可能消除误差的思想出发作了以下工作:第一、整个采集装置放在温度比较恒定的场所避免放在通风出使系统尽量不被周围环境扰动。第二、把传感器和标准温度计绑在一起使温度计水银球和传感器的底部水

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