敖振浪，呂雪芹，雷衛(wèi)延

(廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心,廣州 510080)

同基準(zhǔn)16路電流型測溫電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用

敖振浪，呂雪芹，雷衛(wèi)延

(廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心,廣州 510080)

在許多實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，需要同時測量多點(diǎn)溫度，為了解決多支路測溫需要相同參考標(biāo)準(zhǔn)的問題，保證各路參數(shù)具有可比性；巧妙地設(shè)計(jì)同基準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換電路，運(yùn)用低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)構(gòu)建矩陣開關(guān)進(jìn)行分時切換各支路，有效地解決了多支路同基準(zhǔn)測量問題；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用確定A/D轉(zhuǎn)換器輸入電路濾波電容大小與開關(guān)切換延時的關(guān)系；利用臺階電阻使A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端的“零”電平得到抬升，偏離A/D轉(zhuǎn)換器非線性段，解決了微小信號輸入的測量精度；對于溫度測量普遍使用的鉑電阻傳感器，利用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)了鉑電阻傳感器靜態(tài)下預(yù)熱電流與測量狀態(tài)下工作電流的電路轉(zhuǎn)換，保證電路的信號穩(wěn)定起到很好作用；在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，檢定數(shù)據(jù)和使用效果表明，同基準(zhǔn)16路電流型測溫電路具有高穩(wěn)定度、高精度特點(diǎn)，適用于各種相參測量系統(tǒng)中使用。

溫度測量；十六通道；電流型負(fù)載；相同參考基準(zhǔn)；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

0 引言

溫度是一個自然界常用的物理量，是氣象、軍事、環(huán)境、航天、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域最常見的測量參數(shù)，涉及到日常生活每個角落?？諝鉁囟葴y量是氣象預(yù)報和氣象科學(xué)研究中不可缺少的重要參數(shù)，測量值的準(zhǔn)確度和可靠性至關(guān)重要，尤其是研究全球氣候變化的重要參考依據(jù)。過去溫度測量基本方法是使用溫度計(jì)直接讀取溫度，例如，水銀玻璃溫度計(jì)、酒精溫度計(jì)、熱電偶或熱電阻溫度計(jì)等。當(dāng)今科技發(fā)展迅猛，利用單片機(jī)和鉑電阻溫度傳感器構(gòu)成的電子式智能溫度測量系統(tǒng)已經(jīng)能夠自動測量溫度，得到溫度的數(shù)字值并加以顯示，非常簡單，直觀準(zhǔn)確。不同的用途其測量溫度的方法也有所不同，有的單點(diǎn)測量，有的多點(diǎn)獨(dú)立測量，有的側(cè)重于精度有的側(cè)重于快速測量等等，五花八門。文獻(xiàn)[1]針對溫度單點(diǎn)測量穩(wěn)定性問題,提出了一種自校正技術(shù)的4電阻測量法,通過比較4組測量信號的相對大小來求得被測熱電阻的電阻值,進(jìn)而計(jì)算出溫度值，改進(jìn)溫度測量精度；文獻(xiàn)[2]以MSP430F149混合信號處理器為采集控制核心,運(yùn)用模擬信號采集和數(shù)字信號處理技術(shù),設(shè)計(jì)多通道溫度信號采集電路，利用單片機(jī)內(nèi)部12位A/D完成，可以滿足一般用途；文獻(xiàn)[3]從溫度控制性能方面針對單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)控制方法容易出現(xiàn)響應(yīng)速度慢、振蕩劇烈、控制精度低等問題,基于以AT89C51單片機(jī)為核心運(yùn)用DS18B20溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng),提出了變論域模糊PID控制算法,提高了控制精度,加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。實(shí)際上，不管儀器單點(diǎn)測量精度多高，由于儀器性能差異和環(huán)境因素影響，獨(dú)立儀器進(jìn)行多點(diǎn)測量可能存在系統(tǒng)誤差，因?yàn)楠?dú)立儀器或者獨(dú)立通道沒有基于同一參考基準(zhǔn)，所以對于要求可比性高的場合，必須使用統(tǒng)一基準(zhǔn)進(jìn)行測量，保證所測量的溫度值具有可比性和一致性，比如氣象觀測中空氣梯度溫度測量和多層地溫測量[4]，要求使用同一參考基準(zhǔn)，而且要求同時測量的要素和測量點(diǎn)比較多。目前氣象部門使用的自動氣象站就是要求至少具有16通道以上的溫度測量能力，用于氣溫、草溫、地溫等，而且要求是基于同一測量參考基準(zhǔn)。因此，迫切需要設(shè)計(jì)同基準(zhǔn)十六通道溫度測量電路以滿足業(yè)務(wù)觀測的需要。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

目前測溫主流傳感器是鉑電阻，金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化,并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性[5]。以電阻特性用于測量電路中，實(shí)際上是給它通過一定電流來獲取它的兩端電壓降來反映溫度變化。為了實(shí)現(xiàn)同一參考基準(zhǔn)和同一A/D，簡化電路，采用開關(guān)切換方法逐個接入各支路分時采集，電子開關(guān)采用導(dǎo)通電阻較小的集成電路模擬開關(guān)，A/D轉(zhuǎn)換器采用三線數(shù)字接口數(shù)模轉(zhuǎn)換IC。

1.1 矩陣開關(guān)電路

目前的溫度測量幾乎都是使用鉑電阻傳感器(Pt100或者Pt1000)，鉑電阻阻值隨著溫度升高而增大，測量精度高，比較容易適應(yīng)各種場合。測量原理是鉑電阻傳感器串聯(lián)在2.5 mA電流以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)測量電路中，如圖4中的R424、R426及后端被測傳感器支路。當(dāng)一定電流流過標(biāo)準(zhǔn)器R426和后面的鉑電阻傳感器，在標(biāo)準(zhǔn)器和被測鉑電阻就會產(chǎn)生壓降，分別測量出電壓值再進(jìn)行比較，通過算法就能夠計(jì)算出對應(yīng)的溫度值[6-7]。

如果簡單地采用2個1轉(zhuǎn)8單刀單擲(SPST)開關(guān)簡單地把各支路分時接入測量電路，那么在轉(zhuǎn)換過程中被測信號電壓會產(chǎn)生較大跳躍，影響穩(wěn)態(tài)過程而影響測量精度。因此，本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是矩陣開關(guān)使標(biāo)準(zhǔn)器和被測鉑電阻傳感器平常保持固定的電流，比如2.5 mA，這樣的話，等待轉(zhuǎn)換到被測通道時被測電壓才不至于產(chǎn)生較大跳躍。鑒于這樣的測量要求，矩陣開關(guān)電路主要由圖1所示接口端子和圖2所示4片(U426、U427，其中U428、U429未畫出)具有4個獨(dú)立可選的單刀雙擲開關(guān)(模擬開關(guān)ADG1634)，以及圖3所示2片ADG1607雙刀雙擲(DPDT)模擬開關(guān)(U422、U423)組成。

圖1 接口端子

圖2 通道選擇開關(guān)

圖3 差分信號選擇開關(guān)

從圖1是鉑電阻傳感器接入的接口端子，傳感器采用4線制接法，比如第二支傳感器四線接入JC2-1、JC2-2、JC2-3和JC2-4，JC2-1和JC2-4是電流通路，JC2-2和JC2-3是電壓信號輸出端。

作者的經(jīng)驗(yàn)表明，A/D轉(zhuǎn)換電路往往在低電壓輸入端線性不好，微小信號轉(zhuǎn)換嚴(yán)重失真，造成誤差[5]，必須盡量把差分輸入AIN1(+)和AIN1(-)抬升至線性段上，因此，測量通道中加入臺階電阻R452-R466，把臺階電壓抬升到0.25 V左右，盡量離開非線性段，如圖1所示。

圖2中的ADG1634是單芯片工業(yè)CMOS模擬開關(guān)[8]，分別內(nèi)置4個獨(dú)立可選的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)。具有超低導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電阻平坦度，典型導(dǎo)通電阻為4.5 Ω。利用4片ADG1634組成16路二選一開關(guān)電路。這里需要特別注意，作者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，鉑電阻需要處于預(yù)熱狀態(tài)有利于測量的穩(wěn)定性，平常不測量時各支路傳感器通過R431-R447(2 K)接到+5 V，為傳感器通電流2.5 mA，傳感器處于預(yù)熱狀態(tài)。

圖3 選用ADG1607模擬開關(guān)，它是單芯片模擬多路復(fù)用器，內(nèi)置8個差分通道。ADG1607根據(jù)3位二進(jìn)制地址線(A0、A1和A2)所確定的地址，將8路差分輸入之一切換至公共差分輸出。EN輸入是使能腳，禁用時，所有通道均關(guān)斷；使能時，各通道在兩個方向的導(dǎo)電性能相同，輸入信號范圍可擴(kuò)展至電源電壓范圍。8路開關(guān)具有超低導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電阻平坦度，典型值導(dǎo)通電阻為4.5 Ω，可以雙電源供電，亦可以單電源供電，在本設(shè)計(jì)方案中采用了單電源+12 V供電。

利用2片ADG1607模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)十六路信號的接入，兩片ADG1607(U422、U423)的輸出腳DA和DB(第28腳和第2腳)相對應(yīng)并連在一起，構(gòu)成了16路差分通道，如圖4所示。某個時刻只有一路差分信號接入，即是以分時方式接入同一個A/D轉(zhuǎn)換電路，分時測量出各路溫度值。

1.2 A/D電路

為了實(shí)現(xiàn)16通道以相同基準(zhǔn)進(jìn)行測量，那么就必須采用同一個A/D轉(zhuǎn)換器完成。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的測量基本要求，可以采用16位AD7793或者24位AD7793，除了分辨率不同以外，兩者的使用方法幾乎完全一樣。均為適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內(nèi)置一個低噪聲16位/24位Σ-Δ型ADC,其中含有3個差分模擬輸入,還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器。兩款器件均內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源,而且也可采用一個外部差分基準(zhǔn)電壓。

在自動氣象站應(yīng)用中，16位分辨率就可以滿足測量精度要求[9]，考慮一些應(yīng)用的高精度需要，因此A/D轉(zhuǎn)換電路主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7793和5 V基準(zhǔn)電壓源IC(ADR395)以及外圍器件組成，如圖4所示。5 V基準(zhǔn)電壓連接A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)輸入第9腳和第10腳。這里使用5 V基準(zhǔn)主要考慮了有些輸入共模電壓范圍比較大，可能超過2.5 V。對于溫度測量，一般使用鉑電阻溫度傳感器，考慮鉑電阻傳感器自熱因素，它的電流范圍一般取1～2.5 mA。因?yàn)锳D7793自帶1 mA恒流源輸出，所以正好可用于鉑電阻的工作電流。如果考慮抗干擾能力和自熱因素，可以適當(dāng)加大鉑電阻工作電流[10]，本方案中采用了2.5 mA工作電流，實(shí)踐證明，自熱可以忽略，不會造成測量誤差。通過選擇R425和R424來靈活選擇多少工作電流。R426是100 Ω、精度為0.01%的標(biāo)準(zhǔn)電阻，它串聯(lián)于被測鉑電阻通路上，作為每一路溫度測量參考標(biāo)準(zhǔn)器。恒定且相同的電流同時流過被測鉑電阻傳感器和參考標(biāo)準(zhǔn)器，分別獲取在兩者產(chǎn)生電壓降，再進(jìn)行算法轉(zhuǎn)化成所測溫度值，實(shí)現(xiàn)電流型測量方法[11]。

AD7793的差分輸入信號連接到U421的第5和第6 腳，這里需要特別注意，從測量傳感器外圍送來的差分輸入信號，有時候可能存在共模電壓，輸入負(fù)端(第6腳)不一定是零(地)電平，所以需要輸入加入電阻R421和R422；考慮輸入濾波因素，加入電容C422、C423和C424，這里關(guān)鍵是這幾個電容的取值必須恰當(dāng)，因?yàn)?6個通道中每個通道的測量都是分時完成，每個通道的信號電壓高低可能不一樣，如果從很高切換到很低或者相反的話，那么濾波電容的電荷積累可能造成誤差。應(yīng)該根據(jù)被測量信號特點(diǎn)和分時測量通道轉(zhuǎn)換快慢來綜合考慮而決定，太小了抗干擾能力差，太大了充放電不徹底反而影響測量精度！ 在自動氣象站的實(shí)際應(yīng)用中，C422、C423和C424取值都是470 pF，效果很滿意。

本設(shè)計(jì)方案中只有一片AD7793，故片選信號第3腳直接接地；通過三線式串行接口SCLK、DIN、DOUT三根線設(shè)置參數(shù)和讀寫數(shù)據(jù)。DIN、DOUT信號需要10K上拉電阻R427和R428上拉至+3.3 V電源[12]。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

1.3 工作流程

為了減少電流流過傳感器引線形成壓降，任意一支鉑電阻(Pt100)溫度傳感器一般都是采取4線制接法[13]，以第二支為例說明連接方法，其中電源和地兩根線分別接入圖1接口端子的JC2-1和JC2-4，另外兩根差分信號線分別接入JC2-2和JC2-3。JC2-4不是直接接地，而是通過臺階電阻R452(100Ω)接地，使JC2-3電平抬升大約0.25 V接入后端的A/D轉(zhuǎn)換電路，其它通道如此類推。為什么需要設(shè)計(jì)臺階電阻？作者經(jīng)驗(yàn)證明，這是因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器一般在接近地電平位置的線性不太好，故通過臺階電阻抬高有效的差分電壓置于線性段，確保轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。U426的第10 腳連接地址控制線PG1，當(dāng)PG1為低電平時，開關(guān)D2接到S2B腳，即通過電阻R432接到+5 V，作為預(yù)熱加電。當(dāng)PG1為高電平時，開關(guān)D2接到S2A腳，即接入測量通道RX1，如圖2所示。當(dāng)?shù)诙诽幱跍y量狀態(tài)下，那么測量通道的電流流程是U421第4 腳→R424→R426→標(biāo)號RX1→U426第9腳→U426第8腳→第二支傳感器JC2-1→JC2-4→R452→地。每一支路的參考基準(zhǔn)電壓V0都是從R426上獲得，送到U422的第19腳(S1A)和第11腳(S1B)，通過PF8-PF15地址選擇線分別接通U422的第28腳(DA)和第2腳(DB)，再送到A/D轉(zhuǎn)換器；同樣，在下一時刻，從鉑電阻傳感器獲取的被測電壓Vx送到U422的第20腳(JC2-2)和第10腳(JC2-3)，并轉(zhuǎn)送到A/D轉(zhuǎn)換器。必須注意的是V0和Vx都是有共模電壓成分的，差模電壓和共模電壓之和不能超過A/D轉(zhuǎn)換器輸入允許范圍。

2 軟件電路設(shè)計(jì)

測溫電路可以使用各種各樣MCU控制矩陣開關(guān)的切換和A/D轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中采用STM32F207的IO口線控制，對開關(guān)的控制就是對IO口線的操作[14]，矩陣開關(guān)的U426、U427由STM32F207的控制端口線PG0-PG15選擇不同支路傳感器的接入，即開關(guān)切換函數(shù)SelectSwitch_A(unsigned char port)實(shí)現(xiàn)任意一路port的自由切換；通過開關(guān)分時切換各支路完成A/D轉(zhuǎn)換，由MCU的控制端口線PF8-PF15邏輯位控制模擬開關(guān)U422、U423實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓和不同支路差分輸入電壓的選擇，其開關(guān)函數(shù)是SelectSwitch_B(unsigned char port)；對應(yīng)于某個支路port，由開關(guān)A和開關(guān)B函數(shù)完成，兩個函數(shù)同時調(diào)用，協(xié)調(diào)工作。

void SelectSwitch_A(unsigned char port)//開關(guān)A

{// port=0,1,2,3,4......15

uint16_t PortAC_Ctrl;

PortAC_Ctrl = (1<<(uint16_t)(port)); //控制線使用PG端口

GPIO_ResetBits(GPIOG, GPIO_Pin_All); // 置低電平=0

GPIO_SetBits(GPIOG, PortAC_Ctrl); //設(shè)置對應(yīng)控制線=1

}

void SelectSwitch_B(unsigned char port)//開關(guān)B

{// port=0,1,2,3,4......15 //控制線使用PF端口

GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9| GPIO_Pin_10| GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_12| GPIO_Pin_13| GPIO_Pin_14| GPIO_Pin_15);//全部控制線置低電平

if(port==0){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11); }//控制字=ox08

else if(port==1){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_8); }

else if(port==2){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_9); }

else if(port==3){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9); }

else if(port==4){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_10); }

else if(port==5){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_8);}

else if(port==6){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_9); }

else if(port==7){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_8); }

else if(port==8){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15); }//控制字=ox08

else if(port==9){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_12); }

else if(port==10){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_13); }

else if(port==11){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_12); }

else if(port==12){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14); }

else if(port==13){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_12);}

else if(port==14){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_13); }

else if(port==15){GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_12); }

}

在實(shí)際應(yīng)用中，每一支路的輸入信號幅度大小不同，需要對A/D轉(zhuǎn)換器AD7793的增益進(jìn)行設(shè)置以滿足信號幅度要求，增益可能不一樣，所以有不同的增益參數(shù)gain?；鶞?zhǔn)支路由函數(shù) Set_TT_Base(char port,unsigned char gain)完成設(shè)置，是對應(yīng)固定的PORT1位置；后者相類似，對port支路增益參數(shù)為gain進(jìn)行設(shè)置，由函數(shù)Set_TT_Real(char port,unsigned char gain)完成。在開關(guān)切換過程中必須注意AD7793差分輸入端濾波電容的影響，切換過程中需要穩(wěn)定時間，故需要插入延時函數(shù)Delay_1 ms(50)完成50 ms的延時，在本設(shè)計(jì)中測試結(jié)果表明50 ms延時比較合適。

void Set_TT_Base(char port,unsigned char gain)

{SelectSwitch_A(port);

SelectSwitch_B(PORT1);

Delay_1ms(50); //50ms的延時是必須的，太短會造成輸入信號由于開關(guān)轉(zhuǎn)換還沒有穩(wěn)定下來而轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

Select_Channel_Gain(CHANNEL1,gain);

}

void Set_TT_Real(char port,unsigned char gain)

{SelectSwitch_A(port);

SelectSwitch_B(port);

Delay_1ms(50); //延時是必須的。

Select_Channel_Gain(CHANNEL1,gain);

}

對于任意一支路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和采集，都經(jīng)過兩個步驟，第一步是參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集，第二步是被測數(shù)據(jù)的采集，分時實(shí)現(xiàn)。對于某一支路，上述開關(guān)A函數(shù)、開關(guān)B函數(shù)、Set_TT_Base函數(shù)和Set_TT_Real函數(shù)同時被調(diào)用，緊接著分別調(diào)用下面函數(shù)Read_TT_Base(char port)和Read_TT_Real(char port)來完成參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和被測數(shù)據(jù)的讀入。ReadADC_16BitValue(unsigned char channel)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對AD7793的轉(zhuǎn)換和讀數(shù)。

獲得了參考基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和被測數(shù)據(jù)，通過算法計(jì)算出被測傳感器對應(yīng)的溫度值。

void Read_TT_Base(char port)

{ TT_tempbuf[port-1][BASE]=ReadADC_16BitValue(CHANNEL1);

if(port==1) AD_TT_Current=TT_tempbuf[0][0]*5.0/65535/8*1000;

}

void Read_TT_Real(char port)

{ TT_tempbuf[port-1][REAL]=ReadADC_16BitValue(CHANNEL1);

}

unsigned int ReadADC_16BitValue(unsigned char channel)

{unsigned int AD16bit;

unsigned char i,status;

ADC_DIN1;ADC_CLK1; Delay_1us(10); // begin

WriteToReg_ADC(0x40); //選擇下一步讀狀態(tài)寄存器，當(dāng)前通道

status=ReadFormReg_ADC(1);

while((status&0x80)==0x80)

{//等待轉(zhuǎn)換完成

WriteToReg_ADC(0x40);

status=ReadFormReg_ADC(1);

}

WriteToReg_ADC(0x58); //選擇下一步讀數(shù)據(jù)寄存器，讀當(dāng)前通道數(shù)據(jù)

AD16bit=0x00;

for(i=0;i<16;i++)

{AD16bit=AD16bit<<1;

ADC_CLK0;Delay_1us(10);

if(ADC_DOUT==1)

AD16bit=AD16bit|0x01;

ADC_CLK1;Delay_1us(10);

}

ADC_CLK1; ADC_DIN1; // end

return(AD16bit);

}

3 應(yīng)用驗(yàn)證

驗(yàn)證分為兩個方面，一方面是各支路一致性的檢驗(yàn)，檢查各路的固有誤差是否一致，另一方面是全量程誤差檢測。依托計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的溫度檢定箱進(jìn)行0點(diǎn)檢測，設(shè)定溫度檢定箱的溫度20 ℃、濕度60%RH。用一個固定100?、精度為0.01%的標(biāo)準(zhǔn)電阻作為傳感器代替鉑電阻傳感器，相當(dāng)于鉑電阻Pt100在0 ℃條件下的被測電阻值，置于檢定箱內(nèi)保持恒溫恒濕的環(huán)境條件，引線引到箱外便于切換，但是引線盡量短。分別牢靠的接入各個支路，在調(diào)試狀態(tài)下MCU直接從AD7793讀出數(shù)據(jù)并換算出對應(yīng)支路的溫度值，重復(fù)讀數(shù)3次，計(jì)算出平均值，保留小數(shù)點(diǎn)后4位，結(jié)果如表1所示。

表1 各支路一致性檢測結(jié)果

從表1的測檢結(jié)果可以看出，各支路讀數(shù)的平均值最大是第10支路為0.010 8 ℃，最小是第2支路為0.006 5 ℃，各支路之間最大誤差是0.004 3 ℃，這個誤差值相當(dāng)小，表明了各支路本身產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差大體上是相同的，這個微小的正誤差可能是基準(zhǔn)100?電阻與被測100?電阻之間的差異造成，支路之間的誤差可以忽略不計(jì)，也說明了模擬矩陣開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器電路的各支路一致性良好，完全可以滿足高精度測溫需要。

本電路實(shí)際應(yīng)用于自動氣象站，利用FY-201B溫度檢定槽及RCY-1A一等標(biāo)準(zhǔn)器對自動氣象站進(jìn)行檢定。篩選15支誤差相當(dāng)一致的一等鉑電阻溫度傳感器，按照氣象儀器檢定規(guī)程要求，分別進(jìn)行-20 ℃、0 ℃、30 ℃、50 ℃、80 ℃檢定點(diǎn)檢定[15]。重復(fù)讀數(shù)4次，計(jì)算出平均值，四舍五入保留小數(shù)點(diǎn)后1位，標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)保留2位小數(shù)，檢定數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，各支路在-20 ℃～80 ℃量程范圍內(nèi)的誤差為±0.1 ℃，當(dāng)中可能包含了傳感器本身的微小誤差，也有電路系統(tǒng)誤差?？偟膩碚f這表明了電路的轉(zhuǎn)換線性比較好，完全滿足氣象應(yīng)用需要。

4 結(jié)論

在許多實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，溫度測量或者其它電流型參數(shù)測量都需要具有可比性，同基準(zhǔn)的測量就顯得十分重要。本文有效的解決了電流型參數(shù)測量的同基準(zhǔn)問題，以及通過模擬開關(guān)分時測量帶來的延時穩(wěn)定問題；對接鉑電阻傳感器的時候，需要在電路設(shè)計(jì)中充分考慮非測量時間傳感器的預(yù)熱要求，增加預(yù)熱電路，否則可能影響測量精度。電路簡單，用三線數(shù)字接口節(jié)約MCU資源，軟件代碼簡潔。實(shí)踐表明，由AD7793為核心的24位Σ-Δ型ADC同基準(zhǔn)16路電流型測溫電路的精度和穩(wěn)定度都是非常優(yōu)異的，靈活性比較好，可以滿足許多測量系統(tǒng)應(yīng)用要求。

表2 檢定數(shù)據(jù)記錄表

[1] 張志堅(jiān), 楊 雷. 基于Cu50的精確溫度測量系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2014, 22(5):1355-1356.

[2] 沈顯威, 俞夢孫, SHENXian-wei,等. 多通道溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2007, 28(6):23-25.

[3] 陳 勇,許 亮,于海闊等.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2016,24(2):77-79.

[4] 儲呈敏, 馬尚昌, 張素娟,等. 地表溫度測量方法研究綜述[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2014, 22(6):187-189.

[5] 敖振浪, 林金田, 李源鴻. 氣象觀測用地溫測量裝置誤差一致性電路的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2008, 16(9):1327-1329.

[6] 張志堅(jiān), 楊 雷. 基于Cu50的精確溫度測量系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2014, 22(5):1355-1356.

[7] 敖振浪, 李源鴻, 呂玉嫦. 一種實(shí)用的精密氣溫測量算法與實(shí)現(xiàn)[J]. 氣象, 2009, 32(10):103-107.

[8] 王 麗, 武鳳芹, 張紫乾. 一種16通道模擬開關(guān)電路測試設(shè)計(jì)[J]. 集成電路通訊, 2015(3):38-42.

[9] 張靄琛. 現(xiàn)代氣象觀測[M]. 北京：北京大學(xué)出版社, 2015.

[10] 董 鳴. AD7793在高精度溫控設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù), 2012(8):36-38.

[11] 胡玉峰. 自動氣象站原理與測量方法[J]. 氣象, 2005(4):96-96.

[12] 劉煥乾. AD7793芯片在地溫測量中的應(yīng)用[J]. 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015(4):143-144.

[13] 王昆鵬, 田佳林, 劉立波,等. 一種四線制Pt100電阻測量電路: CN, CN203479906U[P]. 2014.

[14] 鐘 科. 基于 STM32的溫度測量系統(tǒng)[J]. 微處理機(jī), 2015(1):63-67.

[15] 楊 波, 李文博, 張永欣. 自動氣象站溫度傳感器計(jì)量檢定中相關(guān)問題的探討[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2016(11):103-104.

A Design and Application of 16-way Current-type Temperature Measuring Circuit with the Same Reference

Ao Zhenlang, LüXueqin, Lei Weiyan

(Guangdong Meteorological Observation and Data Center, Guangzhou 510080，China)

In many practical applications, it is necessary to measure the temperature at the same time, in order to solve the problem of the same reference standard for multi branch temperature measurement, and ensure that the parameters are comparable. Design the same reference A/D conversion circuit, the use of low resistance analog switch matrix switch of each branch switch construction points, effectively solve the multi branch with reference measurement problems; combined with the practical application to determine the relationship between the A/D converter input circuit filter capacitance and switching delay; using step resistor A/D converter input the "zero" level is uplifted, deviate from the A/D converter to solve the nonlinear range measurement precision of small signal input; platinum resistance sensor for temperature measurement in common use, the circuit current platinum resistance sensor static and preheating current measurement of the conversion of analog switch, ensure stable signal circuits play a very good effect. In the actual application system, show that the test data and the effect of using the same reference, 16 current type temperature measuring circuit has the characteristics of high stability, high precision, applicable to all kinds of coherent measurement system using.

temperature measurement; sixteen channel; current mode load; same reference datum; digital to analog conversion circuit design

2017-02-13；

2017-03-03。

敖振浪(1962-)，男，廣東省陽江市人，教授級高級工程師(三級)，碩士生導(dǎo)師，主要從事氣象探測儀器設(shè)備研發(fā)、設(shè)備防雷技術(shù)研究、嵌入式軟件硬件開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2017)05-0062-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.05.018

TH811;TP399

A