宋 琦 曹 晨 孫建華

1武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

用于模擬鉑電阻溫度傳感器的可編程精密合成電阻

宋 琦1曹 晨2孫建華1

1武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064 2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064

在艦船動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)中，溫度測(cè)量設(shè)備通常采用鉑電阻溫度傳感器對(duì)大量的溫度信號(hào)進(jìn)行采集，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)。當(dāng)這些溫度測(cè)量設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、試驗(yàn)時(shí)，需要使用電阻器模擬鉑電阻溫度傳感器給出所需的電阻信號(hào)。介紹了新型的可編程精密合成電阻以替代傳統(tǒng)的電阻箱，該合成電阻采用運(yùn)算放大器和D／A轉(zhuǎn)換器等器件構(gòu)成單口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)編程控制輸入電壓和輸入電流的比值獲得期望的電阻值。詳細(xì)分析了該電路誤差產(chǎn)生的原因，給出了以ICL7560和AD5543為核心的具體實(shí)現(xiàn)電路，其輸出電阻誤差可控制在0.02 Ω以內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)在0.05℃以內(nèi)。該合成電阻具有體積小、精度高、可編程數(shù)控的優(yōu)點(diǎn)，是溫度測(cè)量設(shè)備試驗(yàn)時(shí)所需的重要設(shè)備。

精密合成電阻；可編程電阻；鉑電阻溫度傳感器

1 引言

在艦船動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)中，對(duì)溫度、壓力、流量等過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量是重要的環(huán)節(jié)，需要測(cè)量大量的一、二回路系統(tǒng)和動(dòng)力裝置涉及的溫度信號(hào)，對(duì)需要遠(yuǎn)傳的溫度信號(hào)通常采用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)。在溫度信號(hào)測(cè)量控制設(shè)備的調(diào)試、試驗(yàn)過(guò)程中，傳統(tǒng)的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱模擬鉑電阻溫度傳感器，給出電阻信號(hào)。電阻箱雖然具有連續(xù)可調(diào)的電阻輸出功能，但電阻箱是由多個(gè)線繞電阻利用機(jī)械開(kāi)關(guān)組合而成，只能手動(dòng)調(diào)節(jié)，不能數(shù)控調(diào)節(jié)。如果要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)測(cè)量控制設(shè)備的自動(dòng)閉環(huán)控制試驗(yàn)，就需要有一種能數(shù)控的可編程精密合成電阻來(lái)取代電阻箱。

目前合成電阻有以下幾種方法：

1）通過(guò)繼電器切換精密電阻，得到可變的電阻［1-2］。該方法體積大、而且由于繼電器存在接觸電阻使得精度難以保證。

2）采用數(shù)字電位器，通過(guò)切換半導(dǎo)體電阻來(lái)得到可變的電阻。但目前的數(shù)字電位器的分辨率不高，在1 KΩ的范圍內(nèi)最多只能做到256個(gè)抽頭，精度不能滿足要求。

3）用運(yùn)算放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成單口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)編程控制輸入電和輸入電流的比值，從而獲得可編程合成電阻［3-4］。

本文采用第3種方法，針對(duì)模擬鉑電阻溫度傳感器，給出詳細(xì)電路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 可編程合成電阻的工作原理

2.1 基礎(chǔ)電路

實(shí)現(xiàn)可編程合成電阻的理論依據(jù)是歐姆定律R=U／I。如圖1所示，在單口網(wǎng)絡(luò)ab中，當(dāng)流經(jīng)ab兩端的電流為Iab，ab兩端電壓為Uab時(shí)，則單口網(wǎng)絡(luò)ab對(duì)外顯現(xiàn)的等效電阻Rab=Uab／Iab。要得到穩(wěn)定的電阻Rab，關(guān)鍵是要控制ab兩端電壓Uab與流經(jīng)ab的電流Iab為線性關(guān)系。

圖1 單口網(wǎng)絡(luò)abFig.1 One port network ab

可編程合成電阻的原理電路如圖2a所示。該電路由輸入運(yùn)算放大器A1、D／A轉(zhuǎn)換器、反相器A2、輸出運(yùn)算放大器A3和標(biāo)準(zhǔn)電阻Rx構(gòu)成。其核心元件是D／A轉(zhuǎn)換器。電路輸入電壓為Ui，運(yùn)算放大器A1接成電壓跟隨器形式，則輸出電壓為Ui，作為D／A的基準(zhǔn)電壓。D／A的傳輸系數(shù)為K，其輸出電壓為KUi。K的范圍為0～1，由輸入到D／A的數(shù)字量D0…Dn-1決定。運(yùn)算放大器A2接成反相器形式，其輸出電壓為-KUi。運(yùn)算放大器A3也接成電壓跟隨器形式，其輸出電壓為-KUi。這樣，施加于標(biāo)準(zhǔn)電阻Rx上的電壓為Ui+KUi，電流為（Ui+KUi）／Rx。 由于運(yùn)算放大器 A1的同相端輸入電流可近似為0，合成電阻的輸入電流即為通過(guò)Rx的電流。則對(duì)輸入端來(lái)講，可得合成電阻R為：

K從0變化到1，合成電阻阻值從Rx變化到1／2Rx。通過(guò)改變D／A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量以調(diào)整K值來(lái)改變合成電阻值。以Rx=200 Ω為例，其特性曲線如圖2b所示。當(dāng)K=0時(shí)，電阻值為200 Ω；當(dāng)K=1時(shí)，電阻值為100 Ω。正好對(duì)應(yīng)Pt100鉑電阻在0～266℃的范圍（100 Ω對(duì)應(yīng)0℃，200 Ω 對(duì)應(yīng) 266 ℃）。

圖2 合成電阻的電路圖與特性曲線Fig.2 Schematic diagram and characteristic curve of synthetic resistance

2.2 改進(jìn)電路

上述電路輸出電阻范圍有一定的局限性，阻值為1／2 Rx～Rx，阻值最大值正好是最小值的2倍。如果所測(cè)溫度范圍大于 0～266℃，例如為0～400 ℃，對(duì)應(yīng)電阻為 100～247.09 Ω（可近似為 100～250 Ω），若采用上述電路，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

將上述電路中的輸入運(yùn)算放大器A1接成同相比例放大電路（比例系數(shù)為m），其余不變，則可以擴(kuò)大輸出電阻范圍。原理電路如圖3a所示。運(yùn)算放大器A1輸出電壓為mUi，運(yùn)算放大器A2輸出電壓為-mKUi。運(yùn)算放大器A3輸出電壓為-mKUi。施加于標(biāo)準(zhǔn)電阻 Rx上的電壓為 Ui＋mKUi，電流為（Ui＋ mKUi） ／Rx。則對(duì)輸入端而言，可得合成電阻R為：

以 Rx=250 Ω，m=1.5 為例，其特性曲線如圖3b所示。當(dāng)K=0時(shí)，電阻值為250 Ω；當(dāng)K=1時(shí)，電阻值為100 Ω，對(duì)應(yīng)Pt100熱電阻0～400℃。由此可見(jiàn)，只需稍作改進(jìn)即可加大輸出電阻范圍。

圖3 改進(jìn)型合成電阻的電路圖與特性曲線Fig.3 Schematic diagram and characteristic curve of improved synthetic resistance

由式 （3） 可得：K＝0時(shí)，Rmax=Rx；K＝1時(shí)，Rmin=Rx／（1+m）。

只要確定期望輸出的電阻范圍Rmin～Rmax，就可以確定：Rx＝Rmax；m＝Rmax／Rmin-1。

3 具體核心電路分析

3.1 誤差分析

上述2種電路產(chǎn)生誤差的主要環(huán)節(jié)是運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器存在輸入失調(diào)電壓，運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱，通常在輸入電壓為零時(shí)，仍存在一定的輸出電壓［5］。這將導(dǎo)致零點(diǎn)的偏移，引起誤差。合成電阻輸入電壓越小，運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓引起的誤差影響越大。同時(shí)，運(yùn)算放大器存在輸入偏置電流，會(huì)分流輸入電流，實(shí)際合成電阻的輸入電流要大于通過(guò)Rx的電流，導(dǎo)致合成電阻阻值誤差。合成電阻輸入電流越小，偏置電流引起的誤差影響越大。所以，運(yùn)算放大器必須采用低失調(diào)電壓，高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低漂移的運(yùn)算放大器。

D／A轉(zhuǎn)換器需要采用相乘型轉(zhuǎn)換器，即使輸入基準(zhǔn)電壓減小到接近0，也可得到較好的比例輸出，轉(zhuǎn)換精度越高越好。標(biāo)準(zhǔn)電阻Rx的精度也很重要，需要選取高精度、底溫漂的電阻。還有，當(dāng)電路中含有反相器、同相比例放大器時(shí)，如果構(gòu)成反相器或同相比例放大器所必需的兩個(gè)電阻的阻值不完全一樣，也會(huì)帶來(lái)誤差，所以這兩個(gè)電阻需要選取精密電阻，最好配對(duì)使用。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)電路

針對(duì)誤差產(chǎn)生原因，對(duì)電路中格環(huán)節(jié)器件進(jìn)行精心挑選和試驗(yàn)，得出以下以ICL7650和AD5543為核心的具體實(shí)現(xiàn)電路，如圖4所示，其輸出阻值范圍為100～250 Ω。

圖4 核心電路原理圖Fig.4 Core circuit schematic diagram

運(yùn) 算 放 大 器 U1、U2、U3 采 用 ICL7650，ICL7650是利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，它具有輸入偏置電流小、低失調(diào)電壓、低溫度漂移、精密的反饋特性、高共模抑制比的優(yōu)點(diǎn)［6］。在其1腳、8腳之間以及2腳、8腳之間需要外接電容，這2個(gè)電容和芯片內(nèi)部電路構(gòu)成斬波穩(wěn)零電路，是必不可少的。D／A轉(zhuǎn)換器采用16位相乘型串口D／A轉(zhuǎn)換器AD5543，串口輸入由控制電路給出，AD5543控制簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換精度高，分辨率高。標(biāo)準(zhǔn)電阻Rx采用萬(wàn)分之一精度的低溫漂的精密線繞電阻。R1、R2也采用精密電阻，并配對(duì)使用。另外，在運(yùn)算放大器U1的輸入端增加R1、C1構(gòu)成的濾波電路，可以提高該電路的抗干擾能力，對(duì)電路輸出精度沒(méi)有影響。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

用6位半萬(wàn)用表，采用4線制接法測(cè)得該電路的輸出電阻值，如表1所示。

表1 合成電阻阻值Tab.1 The value of synthetic resistance

由表1可見(jiàn)，合成電阻誤差控制在±0.02 Ω以內(nèi)，對(duì)應(yīng)溫度信號(hào)，誤差可控制在0.05℃以內(nèi)，精度非常高。并且，經(jīng)過(guò)72 h長(zhǎng)時(shí)間通電考核，測(cè)得其輸出電阻值波動(dòng)在0.01 Ω以內(nèi)，說(shuō)明該電路工作穩(wěn)定性好。

4 合成電阻的應(yīng)用

有了數(shù)字式精密合成電阻替代電阻箱模擬Pt100鉑電阻溫度傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)測(cè)量控制設(shè)備的自動(dòng)閉環(huán)試驗(yàn)。采用仿真計(jì)算機(jī)，與溫度測(cè)量、控制設(shè)備通過(guò)接口電路連接起來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)試驗(yàn)。某工作原理是：模擬信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)將溫度測(cè)量控制設(shè)備輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入仿真計(jì)算機(jī)；合成電阻發(fā)生器負(fù)責(zé)處理由仿真計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算出的溫度指令信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為模擬電阻信號(hào)輸入溫度測(cè)量控制設(shè)備；仿真計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)完成計(jì)算、判斷的工作，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)試驗(yàn)。

合成電阻發(fā)生器起到模擬鉑電阻溫度傳感器的作用，是溫度信號(hào)測(cè)量控制設(shè)備閉環(huán)試驗(yàn)中重要的一環(huán)，其核心部分就是合成電阻電路。仿真計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊方式將溫度數(shù)字信號(hào)傳遞給合成電阻發(fā)生器中的CPU控制芯片。軟件的主要任務(wù)是首先通過(guò)計(jì)算得出溫度對(duì)應(yīng)的電阻值，再根據(jù)式（3）計(jì)算出所需 K值，得出 D0…D15，最后將D0…D15輸入到合成電阻電路的核心元件D／A轉(zhuǎn)換器，合成電阻發(fā)生器就可輸出期望的模擬電阻信號(hào)。

另外，以合成電阻電路為核心，還可生產(chǎn)小型手持式電阻輸出儀，直接按鍵輸入溫度值或電阻值，即可輸出對(duì)應(yīng)電阻。其體積小，精度高、使用方便，便于攜帶，特別適合在艦船上狹小空間內(nèi)對(duì)溫度測(cè)量設(shè)備或儀表的測(cè)試、校準(zhǔn)。

5 結(jié) 論

本文介紹的以ICL7650和AD5543為核心的合成電阻產(chǎn)生電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，工作穩(wěn)定，其輸出電阻誤差控制在0.02 Ω以內(nèi)，具有體積小、精度高、可編程數(shù)控的優(yōu)點(diǎn)。以合成電阻產(chǎn)生電路為核心的合成電阻發(fā)生器在溫度測(cè)量控制設(shè)備的閉環(huán)試驗(yàn)中起到模擬Pt100鉑電阻溫度傳感器的作用，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度信號(hào)閉環(huán)控制不可缺少的環(huán)節(jié)。

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Programmable Precision Synthetic Resistance for the Simulation of Platinum Resistance Temperature Sensor

Song Qi1Cao Chen2Sun Jian－h(huán)ua1

1 Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China 2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China

In ship power plant control system，platinum resistance temperature sensors are used to collect a large number of temperature signals and convert them into resistance signals.During debugging and test of these devices，resistor is used to simulate platinum resistance temperature sensor to give the required resistance signal.We introduced a new programmable precision synthetic resistance as substitute for the traditional resistance box.The synthetic resistance used operational amplifiers and D／A converter to constitute one port network， controlled by programming the ratio of input voltage and input current，so as to achieve the desired resistance value.This paper gives a detailed analysis of causes of error in the circuit， and presents a specific circuit with ICL7560 and AD5543 as the core device， and maintains output resistance errors within 0.02 Ω and corresponding temperature signals below 0.05℃.The synthetic resistance has the advantages of small size， high precision and programmable feature， and that is the important device required for the test of temperature measurement sensor.

precision synthetic resistance； programmable resistance； platinum resistance temperature sensor

U664.8

A

1673－3185（2012）02－108－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.020

2011-10-31

宋 琦（1979－），女，碩士，工程師。研究方向：船舶動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)。E-mail：bil2009＠163.com

宋 琦。

［責(zé)任編輯：張智鵬］