基于A(yíng)DS1247 的小型計量檢定鉑電阻溫度計設計

計量檢定儀器主要用來(lái)檢定和標定日?？茖W(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中所使用儀器的傳感器是否符合使用標準。從本質(zhì)上來(lái)講，計量檢定儀器是精度和分辨率都要高于日常所使用儀器的標準儀器。目前，承擔大量工業(yè)企業(yè)和部分科研院所計量檢定工作的省級的計量檢定部門(mén)使用的鉑電阻檢定和校準裝置的準確度約為0.1 度，分辨率為0.01 度。隨著(zhù)部分企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)或科學(xué)研究過(guò)程中對溫度測量的要求越來(lái)越高，目前的檢定裝置的測量精度已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，而且，檢定設備結構龐大、復雜，難以作為可傳遞的計量檢定裝置來(lái)為用戶(hù)提供上門(mén)的高精度測溫或檢定服務(wù)。為了滿(mǎn)足科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)對溫度測量精度提高以及對鉑電阻計量檢定溫度計小型化、易傳遞的需求，本文提出一種基于TI 公司ADS1247 芯片的鉑電阻溫度計的設計方法。

1 測量原理

將鉑電阻隨溫度變化而變化的電阻值轉換為電壓信號的方式通常有兩種：電橋法和恒流源法。由于電橋法存在不可避免的非線(xiàn)性，且需要多個(gè)電阻進(jìn)行匹配，所以會(huì )在測量中引入系統誤差。而恒流源法具有結構簡(jiǎn)單、線(xiàn)性度好的特點(diǎn)，但是，由于所采用恒流源輸出電流波動(dòng)，會(huì )在測量過(guò)程中引入隨機誤差，通常采用在測量通路中串聯(lián)一個(gè)標準電阻的比例測量形式來(lái)消除恒流源的波動(dòng)。如果恒流源的輸出是穩定的，那么就可以不用串聯(lián)標準電阻，直接測量鉑電阻的電壓降來(lái)進(jìn)行溫度測量。

ADS1247 是TI 公司推出的一種高性能、高精度24 位模擬數字轉換器。ADS1247 單片集成一個(gè)低噪聲可編程增益放大器、一個(gè)精密(ΔΣ)ADC 與一個(gè)單周期低通數字濾波器和一個(gè)內部時(shí)鐘。內置10mA 低漂移電源參考和兩個(gè)可編程電流型數字模擬轉換器(DAC)。通過(guò)程序設置，在輸出電壓裕度內，DACS 可為外部提供多種強度的恒定電流，電流強度可被設置為50uA 、100uA 、250 uA、500uA 、750uA 、1000uA 、1500uA .其輸出電流的絕對誤差與輸出電流強度有關(guān)，強度越小，誤差越小。電流隨溫度波動(dòng)約為100ppm/℃。

ADS1247 還具有一個(gè)可編程放大器(PGA)，放大倍數可為1,2,4,8,16,32,64,128.采用ADS1247 進(jìn)行測溫的原理如圖1 所示：

在圖1 中，使用匹配電阻的目的是使恒流源工作在最佳的線(xiàn)性區。對ADS124 的配置和測試數據的讀取由單片機通過(guò)SPI 總線(xiàn)進(jìn)行。

2 實(shí)施方法及實(shí)驗

當ADS1247 的采用內部參考電壓，數據采樣率為5SPS,PGA 放大倍數為128 倍時(shí)，其內部的噪聲電壓峰峰值可低于0.05uA .Pt100 在-30-300 ℃ 范圍內的阻值變化范圍是88.22-212.05 歐姆。所以，為了達到最低噪聲的條件，應配置ADS1247,使其輸出的恒定電流為100uA .為了使恒流源輸出的恒流具有較高的穩定性和線(xiàn)性度，其引腳的輸出電壓范圍應在3.5-4V 的范圍內，所以，要為pt100 串聯(lián)一個(gè)阻值為37.4K 歐姆的電阻。ADS1247 采用內部參考電壓，模擬供電電壓(AVDD)和數字供電電壓(DVDD)均為5V,兩者之間以0 歐姆電阻分隔。所有與模擬地(AGND)連接的引腳均采用單端接地，模擬地與數字地(DVDD)之間也采用0 歐姆電阻隔離。

單片機接收到鍵盤(pán)輸入的測量指令后，啟動(dòng)ADS1247,并對ADS1247 進(jìn)行配置。單片機延時(shí)100ms 后，開(kāi)始發(fā)起一次測量，采集30 個(gè)數據，根據Pt100 的分度表，以每一攝氏度所對應的電壓范圍為一個(gè)插值區間，在該范圍內以萬(wàn)分之一攝氏度為遞進(jìn)單位進(jìn)行線(xiàn)性插值。將插值后得到的溫度數據按采集的時(shí)間先后順序，分成3 個(gè)組，每組10 個(gè)數據。根據(1)式，計算每組內各溫度數據的方差和。

方差反映了數據波動(dòng)的程度，在三組數據中，選擇方差和最小的一組數據，也就是測量值波動(dòng)量最小的一組作為有效測試數據。進(jìn)而，選擇該組數據內方差最小的測試數據作為最終的測量值。

系統整機尺寸可控制在80×80 毫米以?xún)?。以?5V 的直流穩壓電源供電，在測溫精度為0.01 ℃、分辨率為0.001 ℃的低溫和恒溫油槽內進(jìn)行測試實(shí)驗。在-30-300℃范圍內進(jìn)行100 個(gè)溫度點(diǎn)的測試，通過(guò)分析測試數據，最大誤差不超過(guò)0.05℃，測試分辨率最大為0.004℃。

3 結論

ADS1247 片上集成的恒流源、可編程放大器(PGA)和24位的AD 轉換器能夠為基于鉑電阻的溫度測量提供優(yōu)良的硬件支撐。依據方差最小原則處理溫度數據能夠進(jìn)一步提高溫度測量的精度。所設計的鉑電阻溫度計體積小、精度高，方便傳遞。