用于模擬鉑電阻溫度傳感器的可編程精密合成電阻

宋 琦 曹 晨 孫建華

1武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

用于模擬鉑電阻溫度傳感器的可編程精密合成電阻

宋 琦1曹 晨2孫建華1

1武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064 2中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

在艦船動力裝置控制系統(tǒng)中，溫度測量設備通常采用鉑電阻溫度傳感器對大量的溫度信號進行采集，并將溫度信號轉換成電阻信號。當這些溫度測量設備進行調試、試驗時，需要使用電阻器模擬鉑電阻溫度傳感器給出所需的電阻信號。介紹了新型的可編程精密合成電阻以替代傳統(tǒng)的電阻箱，該合成電阻采用運算放大器和D／A轉換器等器件構成單口網絡，通過編程控制輸入電壓和輸入電流的比值獲得期望的電阻值。詳細分析了該電路誤差產生的原因，給出了以ICL7560和AD5543為核心的具體實現電路，其輸出電阻誤差可控制在0.02 Ω以內，對應溫度信號在0.05℃以內。該合成電阻具有體積小、精度高、可編程數控的優(yōu)點，是溫度測量設備試驗時所需的重要設備。

精密合成電阻；可編程電阻；鉑電阻溫度傳感器

1 引言

在艦船動力裝置控制系統(tǒng)中，對溫度、壓力、流量等過程參數進行測量是重要的環(huán)節(jié)，需要測量大量的一、二回路系統(tǒng)和動力裝置涉及的溫度信號，對需要遠傳的溫度信號通常采用鉑電阻溫度傳感器進行測量并將溫度信號轉換為電阻信號。在溫度信號測量控制設備的調試、試驗過程中，傳統(tǒng)的方法是采用標準電阻箱模擬鉑電阻溫度傳感器，給出電阻信號。電阻箱雖然具有連續(xù)可調的電阻輸出功能，但電阻箱是由多個線繞電阻利用機械開關組合而成，只能手動調節(jié)，不能數控調節(jié)。如果要實現溫度信號測量控制設備的自動閉環(huán)控制試驗，就需要有一種能數控的可編程精密合成電阻來取代電阻箱。

目前合成電阻有以下幾種方法：

1）通過繼電器切換精密電阻，得到可變的電阻［1-2］。該方法體積大、而且由于繼電器存在接觸電阻使得精度難以保證。

2）采用數字電位器，通過切換半導體電阻來得到可變的電阻。但目前的數字電位器的分辨率不高，在1 KΩ的范圍內最多只能做到256個抽頭，精度不能滿足要求。

3）用運算放大器和數模轉換器等構成單口網絡，通過編程控制輸入電和輸入電流的比值，從而獲得可編程合成電阻［3-4］。

本文采用第3種方法，針對模擬鉑電阻溫度傳感器，給出詳細電路和實驗結果。

2 可編程合成電阻的工作原理

2.1 基礎電路

實現可編程合成電阻的理論依據是歐姆定律R=U／I。如圖1所示，在單口網絡ab中，當流經ab兩端的電流為Iab，ab兩端電壓為Uab時，則單口網絡ab對外顯現的等效電阻Rab=Uab／Iab。要得到穩(wěn)定的電阻Rab，關鍵是要控制ab兩端電壓Uab與流經ab的電流Iab為線性關系。

圖1 單口網絡abFig.1 One port network ab

可編程合成電阻的原理電路如圖2a所示。該電路由輸入運算放大器A1、D／A轉換器、反相器A2、輸出運算放大器A3和標準電阻Rx構成。其核心元件是D／A轉換器。電路輸入電壓為Ui，運算放大器A1接成電壓跟隨器形式，則輸出電壓為Ui，作為D／A的基準電壓。D／A的傳輸系數為K，其輸出電壓為KUi。K的范圍為0～1，由輸入到D／A的數字量D0…Dn-1決定。運算放大器A2接成反相器形式，其輸出電壓為-KUi。運算放大器A3也接成電壓跟隨器形式，其輸出電壓為-KUi。這樣，施加于標準電阻Rx上的電壓為Ui+KUi，電流為（Ui+KUi）／Rx。 由于運算放大器 A1的同相端輸入電流可近似為0，合成電阻的輸入電流即為通過Rx的電流。則對輸入端來講，可得合成電阻R為：

K從0變化到1，合成電阻阻值從Rx變化到1／2Rx。通過改變D／A轉換器的輸入數字量以調整K值來改變合成電阻值。以Rx=200 Ω為例，其特性曲線如圖2b所示。當K=0時，電阻值為200 Ω；當K=1時，電阻值為100 Ω。正好對應Pt100鉑電阻在0～266℃的范圍（100 Ω對應0℃，200 Ω 對應 266 ℃）。

圖2 合成電阻的電路圖與特性曲線Fig.2 Schematic diagram and characteristic curve of synthetic resistance

2.2 改進電路

上述電路輸出電阻范圍有一定的局限性，阻值為1／2 Rx～Rx，阻值最大值正好是最小值的2倍。如果所測溫度范圍大于 0～266℃，例如為0～400 ℃，對應電阻為 100～247.09 Ω（可近似為 100～250 Ω），若采用上述電路，則無法實現。

將上述電路中的輸入運算放大器A1接成同相比例放大電路（比例系數為m），其余不變，則可以擴大輸出電阻范圍。原理電路如圖3a所示。運算放大器A1輸出電壓為mUi，運算放大器A2輸出電壓為-mKUi。運算放大器A3輸出電壓為-mKUi。施加于標準電阻 Rx上的電壓為 Ui＋mKUi，電流為（Ui＋ mKUi） ／Rx。則對輸入端而言，可得合成電阻R為：

以 Rx=250 Ω，m=1.5 為例，其特性曲線如圖3b所示。當K=0時，電阻值為250 Ω；當K=1時，電阻值為100 Ω，對應Pt100熱電阻0～400℃。由此可見，只需稍作改進即可加大輸出電阻范圍。

圖3 改進型合成電阻的電路圖與特性曲線Fig.3 Schematic diagram and characteristic curve of improved synthetic resistance

由式 （3） 可得：K＝0時，Rmax=Rx；K＝1時，Rmin=Rx／（1+m）。

只要確定期望輸出的電阻范圍Rmin～Rmax，就可以確定：Rx＝Rmax；m＝Rmax／Rmin-1。

3 具體核心電路分析

3.1 誤差分析

上述2種電路產生誤差的主要環(huán)節(jié)是運算放大器。運算放大器存在輸入失調電壓，運算放大器的差分輸入級很難做到完全對稱，通常在輸入電壓為零時，仍存在一定的輸出電壓［5］。這將導致零點的偏移，引起誤差。合成電阻輸入電壓越小，運算放大器的失調電壓引起的誤差影響越大。同時，運算放大器存在輸入偏置電流，會分流輸入電流，實際合成電阻的輸入電流要大于通過Rx的電流，導致合成電阻阻值誤差。合成電阻輸入電流越小，偏置電流引起的誤差影響越大。所以，運算放大器必須采用低失調電壓，高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低漂移的運算放大器。

D／A轉換器需要采用相乘型轉換器，即使輸入基準電壓減小到接近0，也可得到較好的比例輸出，轉換精度越高越好。標準電阻Rx的精度也很重要，需要選取高精度、底溫漂的電阻。還有，當電路中含有反相器、同相比例放大器時，如果構成反相器或同相比例放大器所必需的兩個電阻的阻值不完全一樣，也會帶來誤差，所以這兩個電阻需要選取精密電阻，最好配對使用。

3.2 具體實現電路

針對誤差產生原因，對電路中格環(huán)節(jié)器件進行精心挑選和試驗，得出以下以ICL7650和AD5543為核心的具體實現電路，如圖4所示，其輸出阻值范圍為100～250 Ω。

圖4 核心電路原理圖Fig.4 Core circuit schematic diagram

運 算 放 大 器 U1、U2、U3 采 用 ICL7650，ICL7650是利用動態(tài)校零技術和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放，它具有輸入偏置電流小、低失調電壓、低溫度漂移、精密的反饋特性、高共模抑制比的優(yōu)點［6］。在其1腳、8腳之間以及2腳、8腳之間需要外接電容，這2個電容和芯片內部電路構成斬波穩(wěn)零電路，是必不可少的。D／A轉換器采用16位相乘型串口D／A轉換器AD5543，串口輸入由控制電路給出，AD5543控制簡單，轉換精度高，分辨率高。標準電阻Rx采用萬分之一精度的低溫漂的精密線繞電阻。R1、R2也采用精密電阻，并配對使用。另外，在運算放大器U1的輸入端增加R1、C1構成的濾波電路，可以提高該電路的抗干擾能力，對電路輸出精度沒有影響。

3.3 試驗結果

用6位半萬用表，采用4線制接法測得該電路的輸出電阻值，如表1所示。

表1 合成電阻阻值Tab.1 The value of synthetic resistance

由表1可見，合成電阻誤差控制在±0.02 Ω以內，對應溫度信號，誤差可控制在0.05℃以內，精度非常高。并且，經過72 h長時間通電考核，測得其輸出電阻值波動在0.01 Ω以內，說明該電路工作穩(wěn)定性好。

4 合成電阻的應用

有了數字式精密合成電阻替代電阻箱模擬Pt100鉑電阻溫度傳感器，就可以實現溫度信號測量控制設備的自動閉環(huán)試驗。采用仿真計算機，與溫度測量、控制設備通過接口電路連接起來，就可以實現閉環(huán)試驗。某工作原理是：模擬信號采集模塊負責將溫度測量控制設備輸出的模擬信號轉換為數字信號，輸入仿真計算機；合成電阻發(fā)生器負責處理由仿真計算機實時計算出的溫度指令信號，將其轉換為模擬電阻信號輸入溫度測量控制設備；仿真計算機負責完成計算、判斷的工作，從而實現閉環(huán)試驗。

合成電阻發(fā)生器起到模擬鉑電阻溫度傳感器的作用，是溫度信號測量控制設備閉環(huán)試驗中重要的一環(huán)，其核心部分就是合成電阻電路。仿真計算機通過串口通訊方式將溫度數字信號傳遞給合成電阻發(fā)生器中的CPU控制芯片。軟件的主要任務是首先通過計算得出溫度對應的電阻值，再根據式（3）計算出所需 K值，得出 D0…D15，最后將D0…D15輸入到合成電阻電路的核心元件D／A轉換器，合成電阻發(fā)生器就可輸出期望的模擬電阻信號。

另外，以合成電阻電路為核心，還可生產小型手持式電阻輸出儀，直接按鍵輸入溫度值或電阻值，即可輸出對應電阻。其體積小，精度高、使用方便，便于攜帶，特別適合在艦船上狹小空間內對溫度測量設備或儀表的測試、校準。

5 結 論

本文介紹的以ICL7650和AD5543為核心的合成電阻產生電路，結構簡單，控制簡便，工作穩(wěn)定，其輸出電阻誤差控制在0.02 Ω以內，具有體積小、精度高、可編程數控的優(yōu)點。以合成電阻產生電路為核心的合成電阻發(fā)生器在溫度測量控制設備的閉環(huán)試驗中起到模擬Pt100鉑電阻溫度傳感器的作用，是實現系統(tǒng)溫度信號閉環(huán)控制不可缺少的環(huán)節(jié)。

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Programmable Precision Synthetic Resistance for the Simulation of Platinum Resistance Temperature Sensor

Song Qi1Cao Chen2Sun Jian－h(huán)ua1

1 Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China 2 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China

In ship power plant control system，platinum resistance temperature sensors are used to collect a large number of temperature signals and convert them into resistance signals.During debugging and test of these devices，resistor is used to simulate platinum resistance temperature sensor to give the required resistance signal.We introduced a new programmable precision synthetic resistance as substitute for the traditional resistance box.The synthetic resistance used operational amplifiers and D／A converter to constitute one port network， controlled by programming the ratio of input voltage and input current，so as to achieve the desired resistance value.This paper gives a detailed analysis of causes of error in the circuit， and presents a specific circuit with ICL7560 and AD5543 as the core device， and maintains output resistance errors within 0.02 Ω and corresponding temperature signals below 0.05℃.The synthetic resistance has the advantages of small size， high precision and programmable feature， and that is the important device required for the test of temperature measurement sensor.

precision synthetic resistance； programmable resistance； platinum resistance temperature sensor

U664.8

A

1673－3185（2012）02－108－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.020

2011-10-31

宋 琦（1979－），女，碩士，工程師。研究方向：船舶動力裝置控制系統(tǒng)。E-mail：bil2009＠163.com

宋 琦。

［責任編輯：張智鵬］