AD7799在熱敏電阻高測溫系統(tǒng)中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

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溫度測量遍布于各種工業(yè)現(xiàn)場，可是要實現(xiàn)、快速的溫度測量并非易事。困難的主要原因是溫度信號本身并不像一般的物理信號那么容易直接檢測，并且通常需要以數(shù)字形式保存或記錄溫度測量數(shù)據(jù)，這些將涉及到傳感器技術(shù)、測量和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)。本系統(tǒng)中，主要選用24位的AD7799和NTC（負溫度系數(shù)）玻封熱敏電阻，實現(xiàn)了對溫度的快速、高靈敏度和高精度測量。

1高精度測溫系統(tǒng)組成

該測溫系統(tǒng)是"投棄式溫鹽深海流剖面測量系統(tǒng)"的測溫部分，采用MSP430為MCU,精密的基準(zhǔn)電壓模塊為A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，同時也為熱敏電阻電橋提供激勵源，AD7799的第3通道為測溫通道，其余2通道用于測量其他參數(shù)。MCU將采集的數(shù)據(jù)通過RS485發(fā)送給工作站。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2高精度測溫系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1AD7799及其應(yīng)用

AD7799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，因而可直接輸入小信號。當(dāng)增益設(shè)置為64、更新速率為4.17Hz時，AD7799的均方根（RMS）噪聲為27nV.AD7799片內(nèi)特性包括一個低端電源開關(guān)、基準(zhǔn)電壓檢測、可編程數(shù)字輸出引腳、熔斷電流控制和一個內(nèi)部時鐘振蕩器。輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(shè)置，可在4.17Hz至470Hz的范圍內(nèi)變化。AD7799采用2.7V至5.25V電源供電，這種器件均采用16引腳TSSOP封裝。如圖2為AD7799的引腳配置。

設(shè)計中AD7799通過SPI串行接口與MSP430單片機連接，通過軟件設(shè)置其第3通道為測溫通道，轉(zhuǎn)換頻率為50Hz,內(nèi)部增益為2可達到滿意的測量效果。

AD7799是一個高精度A/D轉(zhuǎn)換器，為達到理想的使用效果，在具體設(shè)計中需要注意：A/D模擬輸入端一般在緩沖器模式，以增加A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，減少信號源內(nèi)阻對結(jié)果的影響；輸入端采用全差分模式，避免AIN-接地，減少地線噪聲干擾；差分信號線要短且對稱；數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開，避免相互交疊；信號線盡可能走焊盤面；AD7799的GND引腳和REFN-均與模擬地相連，數(shù)字地和模擬地應(yīng)在同一點相連，AD7799位于這個連接點的上方；數(shù)字電源、模擬電源和參考電源相互隔離，并且都要用10μF鉭電容和0.1μ斗F瓷片電容去耦，電容盡量靠近電源引腳。

2.2溫度傳感器及其組成模塊

利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。這些呈現(xiàn)規(guī)律性變化的物理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測量儀表的部分，品種繁多。按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。它們廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術(shù)在國防工程、空間技術(shù)、冶金、電子、食品、醫(yī)藥和石油化工等部門的廣泛應(yīng)用和超導(dǎo)技術(shù)的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發(fā)展。

系統(tǒng)溫度傳感器選用熱敏電阻，熱敏電阻具有以下特點：1）很大的負電阻溫度系數(shù)，因此其溫度測量靈敏度高；2）體積小，故熱容量很小，可用于快速變化溫度的測量；3）響應(yīng)速度快，尤其是珠狀玻封熱敏電阻，其響應(yīng)時間低于50ms;4）具有很大的電阻值（kΩ級），因此導(dǎo)線電阻及接觸電阻對測量的影響可忽略。該系統(tǒng)選用MF51型高精度熱敏電阻，溫漂為0.002℃/a.

系統(tǒng)硬件連接如圖3所示，基準(zhǔn)電壓選用ISL21009BFB812Z,該芯片輸出1.250V基準(zhǔn)電壓，精度可達±0.5mV,溫漂為3ppm/℃，作為AD7799的參考電壓，同時其輸出電流達7mA,可為測溫電橋的激勵源。測溫電橋中的3個電阻與熱敏電阻RT構(gòu)成一個單臂電橋，熱敏電阻RT隨溫度的變化引起電橋的電位差發(fā)生變化。系統(tǒng)中R1、R2、R3均為7.5kΩ（1/1000）25ppm的標(biāo)準(zhǔn)精密金屬膜電阻，熱敏電阻阻值在3~15kΩ變化（相當(dāng)于溫度在40~-4℃范圍內(nèi)的變化，此為海洋溫度范圍）形成-0.20~0.25V的差分信號輸出。

3測溫電路校準(zhǔn)方法

MF51型熱敏電阻的電阻值R與溫度t之間存在著嚴重的非線性關(guān)系，如圖4所示，因此，對其進行校準(zhǔn)、計算所采用的方法也是影響測溫精度的關(guān)鍵。常見的R-t建模方法有B值法（B為溫度量綱，與熱敏電阻材料有關(guān)）、Steinhart-hart方程法、分段擬合法等，但這些方法都不能滿足測量精度的要求。

為得到高精度的R-t關(guān)系，設(shè)計中不是單獨校準(zhǔn)熱敏電阻，而是采用熱敏電阻與測溫電路共同校準(zhǔn)的方法，這樣，可以限度減小諸如電橋電阻容差、元器件溫漂、A/D模塊的緩沖電壓失調(diào)等元器件本身的非理想特性所帶來的系統(tǒng)誤差。

利用HJ6A型低溫恒溫試驗箱為熱敏電阻提供不同的溫度環(huán)境，在-4~40℃間相對均勻地取100個溫度點，記錄此100個溫度點下熱敏電阻輸出所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，以此為基礎(chǔ)利用插值法，在實際測量中MCU根據(jù)即時的A/D轉(zhuǎn)換值可計算得到當(dāng)前溫度值。

該方法雖然需要對每個系統(tǒng)都要單獨測量大量溫度值和所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值，但是系統(tǒng)終的測量精度僅依賴于后期的校正，避免了器件個體差異對精度的影響。

4高精度測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是在IAREmbeddedWorkbench開發(fā)環(huán)境下采用C語言對單片機編程。單片機通過對AD7799片內(nèi)寄存器的編程，即通過寫其中的寄存器，來實現(xiàn)通道選擇、增益選擇、轉(zhuǎn)換速度選擇和A/D轉(zhuǎn)換等功能。不管讀寫哪個寄存器，單片機都必須先寫通信寄存器，以確定下一步是讀或?qū)?，是訪問哪一個寄存器。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

在對AD7799的參數(shù)配置中，要注意增益倍數(shù)和轉(zhuǎn)換頻率的設(shè)置。增益倍數(shù)越大，A/D轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的位數(shù)就越少；而轉(zhuǎn)換頻率太高，也會影響器件的精度。因此，根據(jù)基準(zhǔn)電壓計傳感器的輸出信號，配置放大倍數(shù)為2;考慮到系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求，將轉(zhuǎn)換頻率配置50Hz,可達到20位以上的均方值RMS精度。

5實驗結(jié)果

利用HJ6A低溫恒溫試驗箱為系統(tǒng)提供多個溫度點進行溫度測量精度驗證，表1為系統(tǒng)部分測量數(shù)據(jù)，可以看出，本系統(tǒng)測溫精度可達到0.02℃。

此外，系統(tǒng)還搭載中科院南海所實驗1號實驗船進行了為期1個月的海上實驗，期間進行了3套系統(tǒng)對海洋剖面參數(shù)的測量，測試結(jié)果證明，本系統(tǒng)性能可靠，度高。表2為南海實驗水溫隨深度變化的部分數(shù)據(jù)。

6結(jié)束語

該測溫系統(tǒng)系"投棄式溫鹽深海流剖面測量系統(tǒng)"的測溫部分，要求系統(tǒng)必須功耗低、精度