AD7793芯片在地溫測量中的應用

劉煥乾

（湖南省氣象技術裝備中心，湖南 長沙400017）

AD7793芯片在地溫測量中的應用

劉煥乾

（湖南省氣象技術裝備中心，湖南 長沙400017）

A D7793芯片采用四線制、多通道切換設計，較好地滿足了地溫測量中高精度溫度測量、多通道測量的要求。介紹了該芯片在地溫測量中的應用，并分析了其在測量中容易產(chǎn)生的誤差，通過硬件優(yōu)化和軟件設計等方法進行了改進，最終測試結果表明，系統(tǒng)具備較好的測量精度和可重復性。

溫度測量；多通道；A D7793

地溫是指地表面及其以下不同深度處土壤溫度的統(tǒng)稱，其直接表征著大氣和土壤層的熱量交換，是地表和大氣界面的重要參量，尤其在農(nóng)業(yè)和氣象領域有著重要意義。在溫度測量中，鉑電阻因其性能穩(wěn)定、電阻隨溫度變化呈線性關系而得到廣泛應用[1]。筆者主要介紹了以AD7793芯片為核心部件的高精度多通道的溫度測量技術在地溫測量中的應用，以期為地溫數(shù)據(jù)采集提供新途徑。

1 AD7793芯片特點

AD7793芯片是適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、帶有3個差分模擬輸入的24位Σ-Δ型模數(shù)轉換控制器（Analog/Digital Controller，ADC）[2-3]。它集成了片內低噪聲儀表放大器，可直接輸入小信號，當增益設置為64、速率更新為4.17 Hz時，均方根（RMS）噪聲為40 nV。器件內置一個精密低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源，同時也可采用外部差分基準電壓。其片內還包括可編程激勵電流源，有3種電流輸出選擇。器件可以采用內部時鐘或外部時鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設置，可在4.17～470 Hz的范圍內變化。器件還可同時抑制 50 Hz/ 60Hz交流電源干擾[2]。

2 測量原理

為保證溫度測量的精度，AD7793同時內置了高精度恒流源，測量電路采用四線制測量方法，如圖1所示。圖中IOUT為AD7793內置的高精度恒流源，R1、R2、R3、R4為引線電阻，R5為高精度電阻，RTD為鉑電阻。AIN+、AIN-為差分電壓測量輸入端，VREF+、VREF-為參考電平輸入端。

圖1 四線溫度測量電路

恒流源通過恒定電流激勵鉑電阻，在其兩端產(chǎn)生的電壓通過 R2、R3輸入到AD7793電壓測量腳VIN+/-進行模數(shù)轉換，而電壓測量端為高輸入阻抗，因此產(chǎn)生的分流可以忽略不計。同時，電流流經(jīng)高精度電阻R5產(chǎn)生參考電壓，通過AD7793的VERF+/-腳輸入，作為其參考電壓。由于采用同一恒流源，有效地去除了恒流源波動帶來的測量誤差。

研究中使用的鉑電阻PT100，在0攝氏度時電阻為100Ω，溫度每升高或者降低一度，電阻相應正線性變化0.385Ω。因此，根據(jù)電路圖可通過公式1得到溫度值T。式中，T為溫度，U為鉑電阻兩端電壓，I為恒流源產(chǎn)生的電流。

3 多通道測量

由于氣象溫度測量中需要多路測量，而AD7793只提供3組差分模擬輸入，所以為了滿足多路測量的需要，研究采用數(shù)字控制模擬開關，通過模擬通道的切換完成對多路信號的測試，如圖2所示。

圖2 多通道測試原理圖

圖2中MCU為控制器，Multiplexer1是單路8通道模擬開關，Multiplexer2差分4通道模擬開關，RTD為被測鉑電阻，Rv為高精度電阻?？刂破魍ㄟ^I/O口模擬通道的控制端口完成通道的切換，被測鉑電阻的測試端通過差分模擬開關連接到AD7793的電壓轉換輸入端，AD7793產(chǎn)生的恒流源電流通過單通道開關為鉑電阻提供電流，各通道共用高精度電阻，其產(chǎn)生參考電平提供給AD7793作為參考電壓。圖2只示例了2路測試，而每片差分4通道模擬開關可以滿足4路測量的需要，每片單路8通道模擬開關可以滿足8路測量的需要。擴展時對控制器的I/O口有一定的消耗，但是擴展時大部分控制信號可以復用，如果I/O較為緊張，可以通過譯碼器來節(jié)約控制器的I/O口。因此可以通過該方法可輕松地擴展多路測量。

4 測量中存在的問題

AD7793采樣頻率可調范圍在4.17～470 Hz，對電路進行初始測試時，采用470 Hz高采樣頻率，發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)波動較大，測量溫度有0.8℃左右的波動。但是每次切斷電源后，最后幾組測試數(shù)據(jù)突然較為穩(wěn)定。由于電源有部分儲能原件，在切斷電源后，仍然能短時間提供電源完成測量，但是切斷電源后沒有交流電輸入帶來的干擾，因此判斷之前的數(shù)據(jù)波動為電源輸入干擾[4]。在使用低采樣頻率，開啟50 Hz/60Hz抑制后，測量數(shù)據(jù)明顯穩(wěn)定很多，但測量溫度數(shù)據(jù)仍然有0.2℃左右的波動，因此在AD差分模擬輸入針腳間加入去耦電容，再進行測量發(fā)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)只在百分位出現(xiàn)變化。

5 測量結果

將溫度傳感器放入高精度可控水浴恒溫箱，將電路采集的溫度與標準溫度進行比對。從10～40℃完成10個周期的測量，結果如表1所示。從表1中可以看出，測量誤差小于0.04℃，測量的重復性和穩(wěn)定性均達到要求（＜0.1℃）。

表1 溫度測量數(shù)據(jù) （℃）

6 結束語研究采用基于AD7793的鉑電阻多通道溫度測量系統(tǒng)，通過四線測量、內置恒流源激勵等方式有效地提高了測量精度，同時測量穩(wěn)定性高、可重復性好、集成度高，但是不可避免地出現(xiàn)了電源引入干擾等問題，通過硬件優(yōu)化、軟件設計得到較好地解決。

[1] 劉孟德，賀海靖，杜立彬.高精度溫度測量電路設計[J].山東科學，2012，25（2）：72-75.

[2] 韓云杰，劉宇紅，包化偉.對多路數(shù)據(jù)采集存儲的設計實現(xiàn)[J].電子科技，2014，27（6）：137-139.

[3]董 鳴.A D7793在高精度溫控設備中的應用[J].電子技術，2012，（8）：30-32.

[4]張 震，王 劍，黃國輝，等.高性能通用溫度采集儀的研制[J].機電工程，2010，27（3）：80-84.

（責任編輯：成 平）

App lication of AD7793 in Geothermal Survey

LIU Huan-qian
（Meteorologic Technology Equipment Center of Hunan,Changsha 410007,PRC）

This papermainly introduced the application of AD7793 chip on the geothermal survey.As a result of four-wire system, multi-channelsw itch design,the AD7793 canmeet the requirements of the temperaturemeasurementof high precision andmulti-channel. But therewereerrorseasily happened in themeasurement,and relevantmethodswere put forward like hardware optiMization and software design to promote thesystem.Generally speaking,the systeMhasgoodmeasurementaccuracy and repeatability.

temperaturemeasurement;multi-channel;AD7793

TP216

A

1006-060X（2015）04-0143-02

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.04.044

2015-03-13

劉煥乾（1983-），男，湖南湘潭市人，工程師，主要從事氣象技術保障工作。