用于模拟铂电阻温度传感器的可编程精密合成电阻

宋 琦 曹 晨 孙建华

1武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

用于模拟铂电阻温度传感器的可编程精密合成电阻

宋 琦1曹 晨2孙建华1

1武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064 2中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064

在舰船动力装置控制系统中，温度测量设备通常采用铂电阻温度传感器对大量的温度信号进行采集，并将温度信号转换成电阻信号。当这些温度测量设备进行调试、试验时，需要使用电阻器模拟铂电阻温度传感器给出所需的电阻信号。介绍了新型的可编程精密合成电阻以替代传统的电阻箱，该合成电阻采用运算放大器和D／A转换器等器件构成单口网络，通过编程控制输入电压和输入电流的比值获得期望的电阻值。详细分析了该电路误差产生的原因，给出了以ICL7560和AD5543为核心的具体实现电路，其输出电阻误差可控制在0.02 Ω以内，对应温度信号在0.05℃以内。该合成电阻具有体积小、精度高、可编程数控的优点，是温度测量设备试验时所需的重要设备。

精密合成电阻；可编程电阻；铂电阻温度传感器

1 引言

在舰船动力装置控制系统中，对温度、压力、流量等过程参数进行测量是重要的环节，需要测量大量的一、二回路系统和动力装置涉及的温度信号，对需要远传的温度信号通常采用铂电阻温度传感器进行测量并将温度信号转换为电阻信号。在温度信号测量控制设备的调试、试验过程中，传统的方法是采用标准电阻箱模拟铂电阻温度传感器，给出电阻信号。电阻箱虽然具有连续可调的电阻输出功能，但电阻箱是由多个线绕电阻利用机械开关组合而成，只能手动调节，不能数控调节。如果要实现温度信号测量控制设备的自动闭环控制试验，就需要有一种能数控的可编程精密合成电阻来取代电阻箱。

目前合成电阻有以下几种方法：

1）通过继电器切换精密电阻，得到可变的电阻［1-2］。该方法体积大、而且由于继电器存在接触电阻使得精度难以保证。

2）采用数字电位器，通过切换半导体电阻来得到可变的电阻。但目前的数字电位器的分辨率不高，在1 KΩ的范围内最多只能做到256个抽头，精度不能满足要求。

3）用运算放大器和数模转换器等构成单口网络，通过编程控制输入电和输入电流的比值，从而获得可编程合成电阻［3-4］。

本文采用第3种方法，针对模拟铂电阻温度传感器，给出详细电路和实验结果。

2 可编程合成电阻的工作原理

2.1 基础电路

实现可编程合成电阻的理论依据是欧姆定律R=U／I。如图1所示，在单口网络ab中，当流经ab两端的电流为Iab，ab两端电压为Uab时，则单口网络ab对外显现的等效电阻Rab=Uab／Iab。要得到稳定的电阻Rab，关键是要控制ab两端电压Uab与流经ab的电流Iab为线性关系。

图1 单口网络abFig.1 One port network ab

可编程合成电阻的原理电路如图2a所示。该电路由输入运算放大器A1、D／A转换器、反相器A2、输出运算放大器A3和标准电阻Rx构成。其核心元件是D／A转换器。电路输入电压为Ui，运算放大器A1接成电压跟随器形式，则输出电压为Ui，作为D／A的基准电压。D／A的传输系数为K，其输出电压为KUi。K的范围为0～1，由输入到D／A的数字量D0…Dn-1决定。运算放大器A2接成反相器形式，其输出电压为-KUi。运算放大器A3也接成电压跟随器形式，其输出电压为-KUi。这样，施加于标准电阻Rx上的电压为Ui+KUi，电流为（Ui+KUi）／Rx。 由于运算放大器 A1的同相端输入电流可近似为0，合成电阻的输入电流即为通过Rx的电流。则对输入端来讲，可得合成电阻R为：

K从0变化到1，合成电阻阻值从Rx变化到1／2Rx。通过改变D／A转换器的输入数字量以调整K值来改变合成电阻值。以Rx=200 Ω为例，其特性曲线如图2b所示。当K=0时，电阻值为200 Ω；当K=1时，电阻值为100 Ω。正好对应Pt100铂电阻在0～266℃的范围（100 Ω对应0℃，200 Ω 对应 266 ℃）。

图2 合成电阻的电路图与特性曲线Fig.2 Schematic diagram and characteristic curve of synthetic resistance

2.2 改进电路

上述电路输出电阻范围有一定的局限性，阻值为1／2 Rx～Rx，阻值最大值正好是最小值的2倍。如果所测温度范围大于 0～266℃，例如为0～400 ℃，对应电阻为 100～247.09 Ω（可近似为 100～250 Ω），若采用上述电路，则无法实现。

将上述电路中的输入运算放大器A1接成同相比例放大电路（比例系数为m），其余不变，则可以扩大输出电阻范围。原理电路如图3a所示。运算放大器A1输出电压为mUi，运算放大器A2输出电压为-mKUi。运算放大器A3输出电压为-mKUi。施加于标准电阻 Rx上的电压为 Ui＋mKUi，电流为（Ui＋ mKUi） ／Rx。则对输入端而言，可得合成电阻R为：

以 Rx=250 Ω，m=1.5 为例，其特性曲线如图3b所示。当K=0时，电阻值为250 Ω；当K=1时，电阻值为100 Ω，对应Pt100热电阻0～400℃。由此可见，只需稍作改进即可加大输出电阻范围。

图3 改进型合成电阻的电路图与特性曲线Fig.3 Schematic diagram and characteristic curve of improved synthetic resistance

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

只要确定期望输出的电阻范围Rmin～Rmax，就可以确定：Rx＝Rmax；m＝Rmax／Rmin-1。

3 具体核心电路分析

3.1 误差分析

上述2种电路产生误差的主要环节是运算放大器。运算放大器存在输入失调电压，运算放大器的差分输入级很难做到完全对称，通常在输入电压为零时，仍存在一定的输出电压［5］。这将导致零点的偏移，引起误差。合成电阻输入电压越小，运算放大器的失调电压引起的误差影响越大。同时，运算放大器存在输入偏置电流，会分流输入电流，实际合成电阻的输入电流要大于通过Rx的电流，导致合成电阻阻值误差。合成电阻输入电流越小，偏置电流引起的误差影响越大。所以，运算放大器必须采用低失调电压，高输入阻抗、低输入偏置电流、低漂移的运算放大器。

D／A转换器需要采用相乘型转换器，即使输入基准电压减小到接近0，也可得到较好的比例输出，转换精度越高越好。标准电阻Rx的精度也很重要，需要选取高精度、底温漂的电阻。还有，当电路中含有反相器、同相比例放大器时，如果构成反相器或同相比例放大器所必需的两个电阻的阻值不完全一样，也会带来误差，所以这两个电阻需要选取精密电阻，最好配对使用。

3.2 具体实现电路

针对误差产生原因，对电路中格环节器件进行精心挑选和试验，得出以下以ICL7650和AD5543为核心的具体实现电路，如图4所示，其输出阻值范围为100～250 Ω。

图4 核心电路原理图Fig.4 Core circuit schematic diagram

运 算 放 大 器 U1、U2、U3 采 用 ICL7650，ICL7650是利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放，它具有输入偏置电流小、低失调电压、低温度漂移、精密的反馈特性、高共模抑制比的优点［6］。在其1脚、8脚之间以及2脚、8脚之间需要外接电容，这2个电容和芯片内部电路构成斩波稳零电路，是必不可少的。D／A转换器采用16位相乘型串口D／A转换器AD5543，串口输入由控制电路给出，AD5543控制简单，转换精度高，分辨率高。标准电阻Rx采用万分之一精度的低温漂的精密线绕电阻。R1、R2也采用精密电阻，并配对使用。另外，在运算放大器U1的输入端增加R1、C1构成的滤波电路，可以提高该电路的抗干扰能力，对电路输出精度没有影响。

3.3 试验结果

用6位半万用表，采用4线制接法测得该电路的输出电阻值，如表1所示。

表1 合成电阻阻值Tab.1 The value of synthetic resistance

由表1可见，合成电阻误差控制在±0.02 Ω以内，对应温度信号，误差可控制在0.05℃以内，精度非常高。并且，经过72 h长时间通电考核，测得其输出电阻值波动在0.01 Ω以内，说明该电路工作稳定性好。

4 合成电阻的应用

有了数字式精密合成电阻替代电阻箱模拟Pt100铂电阻温度传感器，就可以实现温度信号测量控制设备的自动闭环试验。采用仿真计算机，与温度测量、控制设备通过接口电路连接起来，就可以实现闭环试验。某工作原理是：模拟信号采集模块负责将温度测量控制设备输出的模拟信号转换为数字信号，输入仿真计算机；合成电阻发生器负责处理由仿真计算机实时计算出的温度指令信号，将其转换为模拟电阻信号输入温度测量控制设备；仿真计算机负责完成计算、判断的工作，从而实现闭环试验。

合成电阻发生器起到模拟铂电阻温度传感器的作用，是温度信号测量控制设备闭环试验中重要的一环，其核心部分就是合成电阻电路。仿真计算机通过串口通讯方式将温度数字信号传递给合成电阻发生器中的CPU控制芯片。软件的主要任务是首先通过计算得出温度对应的电阻值，再根据式（3）计算出所需 K值，得出 D0…D15，最后将D0…D15输入到合成电阻电路的核心元件D／A转换器，合成电阻发生器就可输出期望的模拟电阻信号。

另外，以合成电阻电路为核心，还可生产小型手持式电阻输出仪，直接按键输入温度值或电阻值，即可输出对应电阻。其体积小，精度高、使用方便，便于携带，特别适合在舰船上狭小空间内对温度测量设备或仪表的测试、校准。

5 结 论

本文介绍的以ICL7650和AD5543为核心的合成电阻产生电路，结构简单，控制简便，工作稳定，其输出电阻误差控制在0.02 Ω以内，具有体积小、精度高、可编程数控的优点。以合成电阻产生电路为核心的合成电阻发生器在温度测量控制设备的闭环试验中起到模拟Pt100铂电阻温度传感器的作用，是实现系统温度信号闭环控制不可缺少的环节。

［1］陈永煌.可编程标准电阻发生器［J］.安徽机电学院学报，2000，15（2）：66－68.

CHEN Y H.The programmable standard hesistance generator［J］.Journal of Anhui Institute of Mechanical and Electrical Engineering， 2000，15（2）： 66－68.

［2］陈慧.单片机控制的可编程标准电阻发生器［J］.安徽工程科技学院学报（自然科学版），2007，22（4）：59－63.

CHEN H.The programmable standard resistance generator controlled by Single－chip Microcompute［J］.Journal of Anhui University of Technology and Science（Natural Science），2007，22（4）：59－63.

［3］唐慧强，黄惟一.校准仪中精密合成电阻的设计［J］.电子技术应用， 2003，29（3）：34－36.

［4］张天宏，丁毅，黄向华.用于电阻类传感器校准的电子合成电阻［J］.传感器技术，2004，23（10）：53－55，59.

ZHANG T H，DING Y，HUANG X H.Electronic synthesized resistor for calibration of resistor－type sensor［J］.JournalofTransducerTechnology，2004，23（10）：53－55，59.

［5］陈利永.电子技术基础 ［M］.北京：北京邮电大学出版社，2009.

［6］文亚凤，赵莲清，刘向军.ICL7650－CMOS斩波集成运放简介及应用［J］.现代电子技术，2006，29（12）：19－20.

WEN Y F，ZHAO L Q，LIU X J.Introduction and application of ICL7650 CMOS chop operational amplifier［J］.Modern Electronic Technique，2006，29（12）：19－20.

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

Song Qi1Cao Chen2Sun Jian－hua1

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，硕士，工程师。研究方向：船舶动力装置控制系统。E-mail：bil2009＠163.com

宋 琦。

［责任编辑：张智鹏］