基于最佳反饋系數的恒流型測溫調試電路的設計

(三明職業技術學院，福建 三明 365000)

恒流型鉑電阻測溫電路除主電路外，還設計了零點偏置、電流正反饋和增益放大三個輔助環節的電路，使得電路性能優良、測溫精度較恒壓型鉑電阻測溫等電路高[1]，應用廣泛.但電路調試步驟繁雜，存在著非量化操作而具有的不確定性，使測溫電路不能處于最佳狀態.文中在分析恒流型鉑電阻測溫各環節的特性的基礎上，參照擬合直線，導出了相應的最佳反饋系數，并據此運用四象限精密乘/除法器芯片AD534設計了調試電路.

1 恒流型鉑電阻測溫電路各環節的分析

圖1為基本恒流型鉑電阻測溫電路.鉑電阻Rt為Pt1000，標稱值為1 KΩ.在一定溫度范圍內 (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℃時的阻值，a =3.90802×10-3/℃，b=-5.80195×10-7/℃均為鉑電阻的溫度系數.E =2V為基準電源.

圖1 基本恒流型鉑電阻測溫電路

測溫時鉑電阻流過的恒流IRt為綜合考慮了減小自熱效應的恒定值，取IRt =1 mA.運放A1構成了I-V變換電路.

基本恒流型鉑電阻測溫電路存在幾個實用方面的問題:

(1)偏置電壓不理想

(2)溫度升高時，輸出減小且為負值圖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，將導致U01減小且為負值.故需要增加一級A2運放電路將U01放大并給予倒相.

圖2 基本恒流型鉑電阻測溫電路

(3)輸出為非線性

由于Rt=R0(1+at+bt2)具有非線性，所以輸出U01必然存在非線性.考慮到二次項系數b ＜0，因此，要設計電流正反饋對恒流輸入進行補償校正.

實用恒流型鉑電阻測溫電路如圖3所示.運放A2反相輸入端引入調零偏置電路R7、W1，使溫度為0℃時，A2反相輸入端電位為零，從而使電路輸出U0=0.該電路調整方法如下[2]:

(a)用等同于Rt在0℃時的1 KΩ 電阻替換鉑電阻，調W1使U0=0;

(b)用等同于100℃時的電阻1.385 KΩ 替換鉑電阻，用W3調增益;

(c)用等同于500℃時的電阻2.809 KΩ 替換鉑電阻，用W2進行非線性校正;

(d)反復按上述步驟調試，使其在測試溫度范圍內達到要求.

顯然，上述調試過程繁瑣，各步驟互相影響，其中(c)步驟沒有調試指標予以指引，使之可操作性差，從而誤差大.為解決電路調試困難和誤差大的問題，提出如下思路:

根據電路結構，尋找電路處于最佳狀態時對應的某些定量值(例如傳遞函數)，將其作為調試指標，并通過設計的調試電路予以顯示.這樣，電路只要調整至對應的指標值時，電路將處于最佳狀態，即解決了電路調試困難且精度不高的問題.

2 對最佳線性調試指標的分析

由圖3電路，反饋支路電流

圖3 實用恒流型鉑電阻測溫電路

其中

為反饋系數.0℃時，調零支路偏置量

通過以上對圖3電路調零、放大和反饋環節的分析，得到相應的電路傳遞函數方框圖如圖所示.

圖4 電路傳遞函數方框圖

其電路方程為:

因為t =0 時，Rt=R0，U0=0，所以

即

設鉑電阻測溫電路測溫范圍為0～500℃，輸出電壓為0～5 V，即靈敏度為100 mA.最佳線性輸出時，并取0℃輸入對應0 V 輸出;500℃輸入對應5 V 輸出的連線作為擬合直線，且設250℃輸入對應擬合線的中點，即對應輸出為2.5 V.得到:

將相關數據代入上兩式，可求得:

顯然，其中的反饋系數對應電路最佳線性輸出，是最佳線性調試的指標，據此可設計相應的調試電路.

3 調試電路的設計

3.1 四象限精密乘/除芯片AD534[3]

AD534是Analog Devices (ADI公司)的產品，是一個高精度、高速的四象限精密乘/除法器.能實現乘法、分式除法、求平方和開平方根等運算.AD534是第一個提供四象限全差分且高阻抗輸入的乘法器，這大大增強了使用中的靈活性和可用性.相較于早期的其它乘/除芯片，設計強加的輸入信號極性限制標準MDSSR 職能(乘法，除法，求平方，求平方根)也被消除.AD534 基本開環傳遞函數如下:

3.2 調試電路設計

從圖3電路看出來，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，電路就處于最佳線性狀態，電路線性調試完成.

圖5 調試電路

3.3 實驗結果與分析

由(1)、(5)和(6)式可設計圖3電路相關的電阻阻值進行實驗，實驗結果由非線性度來衡量.設擬合直線方程為Ul(t)，在測溫區間，圖3電路輸出U0(t)的非線性度定義為:

式中Uofs為滿量程輸出.對應最佳反饋系數β的擬合直線方程為:

將有關數據代入式(4)、(9)和式(8)計算可得到該擬合直線下的理論非線性度，將實驗測量平均值U0(t)代入(8)式可得到實驗非線性度.

表1 測試數據

在實驗條件允許的情況下，選定實驗測溫范圍為10～50℃.實驗分傳統調試和有調試電路(本方法)兩種情況進行，如表1所示.從表1可知，最大非線性度由傳統調試的0.074%減小為有調試電路的0.024%，有調試電路的非線性度與理論非線性度接近.

4 結束語

通過對恒流型鉑電阻測溫電路各環節的分析，闡明了電路調試困難的原因，導出了恒流型鉑電阻測溫電路最佳狀態對應的最佳反饋系數，將此系數作為調試指標，以四象限精密乘/除法器為核心，提出了線性調試電路的設計方法和實際的線性調試電路，有效地解決了恒流型鉑電阻測溫電路調試困難的問題.調試電路結構簡單，精度較高，適用性好.

[1]李道華，李玲.傳感器電路分析與設計[M].武漢:武漢大學出版社，2003:140-149.

[2]黃賢武，鄭筱霞，曲波，等.傳感器實際應用電路[M].成都:電子科技大學出版社，1997:17-18.

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