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铂电阻测温电路的线性化设计.doc

铂电阻测温电路的线性化设计

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2017-09-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《铂电阻测温电路的线性化设计doc》,可适用于人文社科领域

铂电阻测温电路的线性化设计(西华大学物理实验中心,四川成都)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AD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,而且在范围内准确度可达到FS字。:温度传感器线性化设计AD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。在精密测量系统中,铂电阻测温系统电路结构图如图所示。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AD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:一种是模拟量非线性校正,该电路处在AD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AD转换校正和数字量的非线性校正,其中非线性AD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AD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。图铂电阻测温系统电路结构图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=VccR(RqR)(RRq)(RR)()则Rq=Vcc(RR)RVccRR()其中RR=RR=R,令Vout=Vcc(RR)RVccRRVccRVin(RR)则Vout=Rq=AqBqC()式()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=AtBtC()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AD转换来实现。AD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:N=TVinTCPVREF()其中,N为T时间内的计数值,TCP为计数脉冲CP的周期,T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)=MNt(M,N为待定常系数)时,由双积分AD转换原理可得关系式:VKRintCintT(MNt)dt=VKRintCint(NTMT)=()AD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=AqBq()由式()和式()可得:AqBq=MTTNTT()令BT=M,AT=N,则有:T与q在数值上大小相等,即T=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AD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AD转换是非线性的,其函数关系与Rqq关系相反,当其特性实现了相互完全补偿时,就能获得线性qT转换。利用双积分AD转换实现非线性校正的关键是应能满足式()所表征的函数关系,本设计采用RC回路实现了该目的。()高精度AD转换器ICL的工作原理铂电阻测温电路线性化设计的实现采用了位半双积分型AD转换器ICL。ICL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:V=KRintCintTVindt=KTRintCint=KTRintCintVin()式()中,固定积分时间T=T(T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(T)=VREFeTRCREF()式()中,VREF为t=时电容CREF两端电压值。将式()在t=T处按马克劳林公式展开,若选取适当参数,则有:UCREF(T)=VREF(RCREFT)()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T阶段UCREF(t)可认为是线性的,T结束时积分器输出又回到零位,因此有:TAqTBq=VREFRCREFTVREFT()令等式两边常量对应相等,则有:q=T。若已知T,A,B,VREF,CREF,则可求出电阻R。在T时间内,对AD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。()ICL外围元件的参数选择,积分电阻Rint取kΩ,积分电容应取uf,自动调零电容的典型值为uf,基准电容的典型值为uf。ICL是利用它具有多重动态扫描的BCD码输出来读取AD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IO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ICL的“BUSY”端,只需占用单片机C的一个IO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ICL的AD转换值送入单片机内。若C的时钟采用MHz晶振,在不执行movx指令的情况下,ALE是稳定的MHz频率,将ALE经过分频可得到kHz的频率供给ICL时钟输入端。T规定为定时方式,以满足ICL的满量程要求。ICL在AD转换阶段,状态输出引脚“BUSY”为高电平,表明AD转换器正处在信号正向积分和反积分阶段,这个高电平一直持续到反向积分阶段结束。在定时器方式寄存器TMOD中,置T的门控位GATE为,利用“BUSY”作为计数器门控信号,T的计数将受“BUSY”控制。控制计数器只能在“BUSY”为高电平时计数,那么输入信号的AD转换值=“BUSY”高电平期间内计数器计数值减去正向积分时间T内的计数值“”。用ICL的“BUSY”端接C的外部中断,POL为信号极性输出端,高、低电平分别表示被测信号为正、负极性。按本设计电路(如图所示)组装后,进行了实际性能测试,结果列于下表。从测试结果看:样机最大误差为。误差主要来源一方面是来自于基准电容放电过程的非线性引起的误差,当RCREF取值满足要求时,此项误差折合成温度值可小于另一方面来自于AD转换准确度。当选用位半AD转换器ICL时,其准确度为,折合最大温度误差为,两项误差相对独立,电路总体测温误差为。参考文献李华MCS系列单片机实用接口技术M北京:北京航空航天大学出版社,常健生,石要武检测与转换技术M北京:机械工业出版社,

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