基于最佳反饋系數(shù)的恒流型測(cè)溫調(diào)試電路的設(shè)計(jì)

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 三明 365000)

恒流型鉑電阻測(cè)溫電路除主電路外，還設(shè)計(jì)了零點(diǎn)偏置、電流正反饋和增益放大三個(gè)輔助環(huán)節(jié)的電路，使得電路性能優(yōu)良、測(cè)溫精度較恒壓型鉑電阻測(cè)溫等電路高[1]，應(yīng)用廣泛.但電路調(diào)試步驟繁雜，存在著非量化操作而具有的不確定性，使測(cè)溫電路不能處于最佳狀態(tài).文中在分析恒流型鉑電阻測(cè)溫各環(huán)節(jié)的特性的基礎(chǔ)上，參照擬合直線(xiàn)，導(dǎo)出了相應(yīng)的最佳反饋系數(shù)，并據(jù)此運(yùn)用四象限精密乘/除法器芯片AD534設(shè)計(jì)了調(diào)試電路.

1 恒流型鉑電阻測(cè)溫電路各環(huán)節(jié)的分析

圖1為基本恒流型鉑電阻測(cè)溫電路.鉑電阻Rt為Pt1000，標(biāo)稱(chēng)值為1 KΩ.在一定溫度范圍內(nèi) (0～600℃)，鉑電阻阻值隨溫度t 變化，可用下式表示:

其中:R0為t =0℃時(shí)的阻值，a =3.90802×10-3/℃，b=-5.80195×10-7/℃均為鉑電阻的溫度系數(shù).E =2V為基準(zhǔn)電源.

圖1 基本恒流型鉑電阻測(cè)溫電路

測(cè)溫時(shí)鉑電阻流過(guò)的恒流IRt為綜合考慮了減小自熱效應(yīng)的恒定值，取IRt =1 mA.運(yùn)放A1構(gòu)成了I-V變換電路.

基本恒流型鉑電阻測(cè)溫電路存在幾個(gè)實(shí)用方面的問(wèn)題:

(1)偏置電壓不理想

(2)溫度升高時(shí)，輸出減小且為負(fù)值圖2電路消除不理想偏置后，取90802×10-3t-0.580195×10-6t2)/2，這樣，溫度升高后，將導(dǎo)致U01減小且為負(fù)值.故需要增加一級(jí)A2運(yùn)放電路將U01放大并給予倒相.

圖2 基本恒流型鉑電阻測(cè)溫電路

(3)輸出為非線(xiàn)性

由于Rt=R0(1+at+bt2)具有非線(xiàn)性，所以輸出U01必然存在非線(xiàn)性.考慮到二次項(xiàng)系數(shù)b ＜0，因此，要設(shè)計(jì)電流正反饋對(duì)恒流輸入進(jìn)行補(bǔ)償校正.

實(shí)用恒流型鉑電阻測(cè)溫電路如圖3所示.運(yùn)放A2反相輸入端引入調(diào)零偏置電路R7、W1，使溫度為0℃時(shí)，A2反相輸入端電位為零，從而使電路輸出U0=0.該電路調(diào)整方法如下[2]:

(a)用等同于Rt在0℃時(shí)的1 KΩ 電阻替換鉑電阻，調(diào)W1使U0=0;

(b)用等同于100℃時(shí)的電阻1.385 KΩ 替換鉑電阻，用W3調(diào)增益;

(c)用等同于500℃時(shí)的電阻2.809 KΩ 替換鉑電阻，用W2進(jìn)行非線(xiàn)性校正;

(d)反復(fù)按上述步驟調(diào)試，使其在測(cè)試溫度范圍內(nèi)達(dá)到要求.

顯然，上述調(diào)試過(guò)程繁瑣，各步驟互相影響，其中(c)步驟沒(méi)有調(diào)試指標(biāo)予以指引，使之可操作性差，從而誤差大.為解決電路調(diào)試?yán)щy和誤差大的問(wèn)題，提出如下思路:

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，尋找電路處于最佳狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的某些定量值(例如傳遞函數(shù))，將其作為調(diào)試指標(biāo)，并通過(guò)設(shè)計(jì)的調(diào)試電路予以顯示.這樣，電路只要調(diào)整至對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值時(shí)，電路將處于最佳狀態(tài)，即解決了電路調(diào)試?yán)щy且精度不高的問(wèn)題.

2 對(duì)最佳線(xiàn)性調(diào)試指標(biāo)的分析

由圖3電路，反饋支路電流

圖3 實(shí)用恒流型鉑電阻測(cè)溫電路

其中

為反饋系數(shù).0℃時(shí)，調(diào)零支路偏置量

通過(guò)以上對(duì)圖3電路調(diào)零、放大和反饋環(huán)節(jié)的分析，得到相應(yīng)的電路傳遞函數(shù)方框圖如圖所示.

圖4 電路傳遞函數(shù)方框圖

其電路方程為:

因?yàn)閠 =0 時(shí)，Rt=R0，U0=0，所以

即

設(shè)鉑電阻測(cè)溫電路測(cè)溫范圍為0～500℃，輸出電壓為0～5 V，即靈敏度為100 mA.最佳線(xiàn)性輸出時(shí)，并取0℃輸入對(duì)應(yīng)0 V 輸出;500℃輸入對(duì)應(yīng)5 V 輸出的連線(xiàn)作為擬合直線(xiàn)，且設(shè)250℃輸入對(duì)應(yīng)擬合線(xiàn)的中點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)輸出為2.5 V.得到:

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上兩式，可求得:

顯然，其中的反饋系數(shù)對(duì)應(yīng)電路最佳線(xiàn)性輸出，是最佳線(xiàn)性調(diào)試的指標(biāo)，據(jù)此可設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)試電路.

3 調(diào)試電路的設(shè)計(jì)

3.1 四象限精密乘/除芯片AD534[3]

AD534是Analog Devices (ADI公司)的產(chǎn)品，是一個(gè)高精度、高速的四象限精密乘/除法器.能實(shí)現(xiàn)乘法、分式除法、求平方和開(kāi)平方根等運(yùn)算.AD534是第一個(gè)提供四象限全差分且高阻抗輸入的乘法器，這大大增強(qiáng)了使用中的靈活性和可用性.相較于早期的其它乘/除芯片，設(shè)計(jì)強(qiáng)加的輸入信號(hào)極性限制標(biāo)準(zhǔn)MDSSR 職能(乘法，除法，求平方，求平方根)也被消除.AD534 基本開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下:

3.2 調(diào)試電路設(shè)計(jì)

從圖3電路看出來(lái)，R3、R4和R2+W2具有相同的反饋電流Iβ，將(1)式分子分母同乘Iβ有:

時(shí)，電路就處于最佳線(xiàn)性狀態(tài)，電路線(xiàn)性調(diào)試完成.

圖5 調(diào)試電路

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由(1)、(5)和(6)式可設(shè)計(jì)圖3電路相關(guān)的電阻阻值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由非線(xiàn)性度來(lái)衡量.設(shè)擬合直線(xiàn)方程為Ul(t)，在測(cè)溫區(qū)間，圖3電路輸出U0(t)的非線(xiàn)性度定義為:

式中Uofs為滿(mǎn)量程輸出.對(duì)應(yīng)最佳反饋系數(shù)β的擬合直線(xiàn)方程為:

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)、(9)和式(8)計(jì)算可得到該擬合直線(xiàn)下的理論非線(xiàn)性度，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量平均值U0(t)代入(8)式可得到實(shí)驗(yàn)非線(xiàn)性度.

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，選定實(shí)驗(yàn)測(cè)溫范圍為10～50℃.實(shí)驗(yàn)分傳統(tǒng)調(diào)試和有調(diào)試電路(本方法)兩種情況進(jìn)行，如表1所示.從表1可知，最大非線(xiàn)性度由傳統(tǒng)調(diào)試的0.074%減小為有調(diào)試電路的0.024%，有調(diào)試電路的非線(xiàn)性度與理論非線(xiàn)性度接近.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)恒流型鉑電阻測(cè)溫電路各環(huán)節(jié)的分析，闡明了電路調(diào)試?yán)щy的原因，導(dǎo)出了恒流型鉑電阻測(cè)溫電路最佳狀態(tài)對(duì)應(yīng)的最佳反饋系數(shù)，將此系數(shù)作為調(diào)試指標(biāo)，以四象限精密乘/除法器為核心，提出了線(xiàn)性調(diào)試電路的設(shè)計(jì)方法和實(shí)際的線(xiàn)性調(diào)試電路，有效地解決了恒流型鉑電阻測(cè)溫電路調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題.調(diào)試電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，適用性好.

[1]李道華，李玲.傳感器電路分析與設(shè)計(jì)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2003:140-149.

[2]黃賢武，鄭筱霞，曲波，等.傳感器實(shí)際應(yīng)用電路[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，1997:17-18.

[3]陳琳，程為彬.AD534 芯片原理介紹及設(shè)計(jì)、應(yīng)用[J].電子元器件資訊，2009 (4):15-17.