基于最佳反馈系数的恒流型测温调试电路的设计

(三明职业技术学院，福建 三明 365000)

恒流型铂电阻测温电路除主电路外，还设计了零点偏置、电流正反馈和增益放大三个辅助环节的电路，使得电路性能优良、测温精度较恒压型铂电阻测温等电路高[1]，应用广泛.但电路调试步骤繁杂，存在着非量化操作而具有的不确定性，使测温电路不能处于最佳状态.文中在分析恒流型铂电阻测温各环节的特性的基础上，参照拟合直线，导出了相应的最佳反馈系数，并据此运用四象限精密乘/除法器芯片AD534设计了调试电路.

1 恒流型铂电阻测温电路各环节的分析

图1为基本恒流型铂电阻测温电路.铂电阻Rt为Pt1000，标称值为1 KΩ.在一定温度范围内 (0～600℃)，铂电阻阻值随温度t 变化，可用下式表示:

其中:R0为t =0℃时的阻值，a =3.90802×10-3/℃，b=-5.80195×10-7/℃均为铂电阻的温度系数.E =2V为基准电源.

图1 基本恒流型铂电阻测温电路

测温时铂电阻流过的恒流IRt为综合考虑了减小自热效应的恒定值，取IRt =1 mA.运放A1构成了I-V变换电路.

基本恒流型铂电阻测温电路存在几个实用方面的问题:

(1)偏置电压不理想

(2)温度升高时，输出减小且为负值图2电路消除不理想偏置后，取90802×10-3t-0.580195×10-6t2)/2，这样，温度升高后，将导致U01减小且为负值.故需要增加一级A2运放电路将U01放大并给予倒相.

图2 基本恒流型铂电阻测温电路

(3)输出为非线性

由于Rt=R0(1+at+bt2)具有非线性，所以输出U01必然存在非线性.考虑到二次项系数b ＜0，因此，要设计电流正反馈对恒流输入进行补偿校正.

实用恒流型铂电阻测温电路如图3所示.运放A2反相输入端引入调零偏置电路R7、W1，使温度为0℃时，A2反相输入端电位为零，从而使电路输出U0=0.该电路调整方法如下[2]:

(a)用等同于Rt在0℃时的1 KΩ 电阻替换铂电阻，调W1使U0=0;

(b)用等同于100℃时的电阻1.385 KΩ 替换铂电阻，用W3调增益;

(c)用等同于500℃时的电阻2.809 KΩ 替换铂电阻，用W2进行非线性校正;

(d)反复按上述步骤调试，使其在测试温度范围内达到要求.

显然，上述调试过程繁琐，各步骤互相影响，其中(c)步骤没有调试指标予以指引，使之可操作性差，从而误差大.为解决电路调试困难和误差大的问题，提出如下思路:

根据电路结构，寻找电路处于最佳状态时对应的某些定量值(例如传递函数)，将其作为调试指标，并通过设计的调试电路予以显示.这样，电路只要调整至对应的指标值时，电路将处于最佳状态，即解决了电路调试困难且精度不高的问题.

2 对最佳线性调试指标的分析

由图3电路，反馈支路电流

图3 实用恒流型铂电阻测温电路

其中

为反馈系数.0℃时，调零支路偏置量

通过以上对图3电路调零、放大和反馈环节的分析，得到相应的电路传递函数方框图如图所示.

图4 电路传递函数方框图

其电路方程为:

因为t =0 时，Rt=R0，U0=0，所以

即

设铂电阻测温电路测温范围为0～500℃，输出电压为0～5 V，即灵敏度为100 mA.最佳线性输出时，并取0℃输入对应0 V 输出;500℃输入对应5 V 输出的连线作为拟合直线，且设250℃输入对应拟合线的中点，即对应输出为2.5 V.得到:

将相关数据代入上两式，可求得:

显然，其中的反馈系数对应电路最佳线性输出，是最佳线性调试的指标，据此可设计相应的调试电路.

3 调试电路的设计

3.1 四象限精密乘/除芯片AD534[3]

AD534是Analog Devices (ADI公司)的产品，是一个高精度、高速的四象限精密乘/除法器.能实现乘法、分式除法、求平方和开平方根等运算.AD534是第一个提供四象限全差分且高阻抗输入的乘法器，这大大增强了使用中的灵活性和可用性.相较于早期的其它乘/除芯片，设计强加的输入信号极性限制标准MDSSR 职能(乘法，除法，求平方，求平方根)也被消除.AD534 基本开环传递函数如下:

3.2 调试电路设计

从图3电路看出来，R3、R4和R2+W2具有相同的反馈电流Iβ，将(1)式分子分母同乘Iβ有:

时，电路就处于最佳线性状态，电路线性调试完成.

图5 调试电路

3.3 实验结果与分析

由(1)、(5)和(6)式可设计图3电路相关的电阻阻值进行实验，实验结果由非线性度来衡量.设拟合直线方程为Ul(t)，在测温区间，图3电路输出U0(t)的非线性度定义为:

式中Uofs为满量程输出.对应最佳反馈系数β的拟合直线方程为:

将有关数据代入式(4)、(9)和式(8)计算可得到该拟合直线下的理论非线性度，将实验测量平均值U0(t)代入(8)式可得到实验非线性度.

表1 测试数据

在实验条件允许的情况下，选定实验测温范围为10～50℃.实验分传统调试和有调试电路(本方法)两种情况进行，如表1所示.从表1可知，最大非线性度由传统调试的0.074%减小为有调试电路的0.024%，有调试电路的非线性度与理论非线性度接近.

4 结束语

通过对恒流型铂电阻测温电路各环节的分析，阐明了电路调试困难的原因，导出了恒流型铂电阻测温电路最佳状态对应的最佳反馈系数，将此系数作为调试指标，以四象限精密乘/除法器为核心，提出了线性调试电路的设计方法和实际的线性调试电路，有效地解决了恒流型铂电阻测温电路调试困难的问题.调试电路结构简单，精度较高，适用性好.

[1]李道华，李玲.传感器电路分析与设计[M].武汉:武汉大学出版社，2003:140-149.

[2]黄贤武，郑筱霞，曲波，等.传感器实际应用电路[M].成都:电子科技大学出版社，1997:17-18.

[3]陈琳，程为彬.AD534 芯片原理介绍及设计、应用[J].电子元器件资讯，2009 (4):15-17.