基于三线制的高精度热电阻测量电路设计

在式(4)中，R是已知阻值的精密电阻；D是A／D转换的结果，该结果可方便地从仪表显示装置中读出；VR与VAD是基准电压，为恒定的常量；β为电路的总放大倍数；K是A／D转换的比例因子，如对于14位的A／D转换器，K=214。那么式(2)中只有2个未知数RV和β。对于一个具体输入电路，如果取2个阻值已知的精密电阻R1、R2分别接入图2所示电路进行标定(标定时，尽量使r=0)，就可以得到一个二元一次方程组。这样，对于一个具体输入电路而言，可从方程组解出β和RV，其结果如下：

　　上述标定方法可以总结为：2个阻值已知的精密标准电阻R1、R2分别接仪表的输入端，且使用连接导线的电阻尽量减小，这时记录仪表读数D1与D2，代入式(5)即可计算出所标定仪表的未知参数β和RV。在使用中，建议将VR与VAD使用同一个基准源，这样式(5)中β的计算就与参考电压的精度无关。这种方法减小了不同基准源之间的差异，特别是减小了不同基准的时漂与温漂的影响。

　　2．3 测量电路

　　图3是高精度Pt100温度测量系统的前置输入电路部分，其中Pt100基准电压与A／D转换器ICL7135的基准电压为同一电压基准源，Pt100的2路测量输入信号V1与V2采用同一运算放大器放大(1+R3／R4)倍后进入A／D转换器，使用微型继电器K1进行通道选择，这种方法共用运算放大器、A／D转换器、基准电压源，减小了不同器件之间的差异对测量结果的影响。ICL7135的A／D转换结果通过串行方式与单片机相连，可以大大节约单片机的IO口。该电路在标定时，使用标准电阻100Ω与300Ω进行标定，将标定结果β和RV存入单片机系统的EEPROM中。在实际测量中，单片机系统将β和RV取出，作为已知值，由式(3)计算出电阻Rt值。

　　2．4 测量电路试验分析

　　对比三线制平衡电桥法，该电路检测结果得到了大大提高，表1是2种不同方法的测量标准电阻值的对比。其中r为线路电阻。

　　从表1中可以看出，由于三线制平衡电桥法理论测量结果即存在较大误差，且随线路电阻r的增加，引起的误差越大，随待测热电阻阻值增大，绝对误差也呈增大的均势。表1中，最大相对误差为被测电阻Rt=300 Ω，线路电阻r=20 Ω时，达到了2．57％。本文采用改进后的三线制法的实测结果在所测数据范围内最大绝对误差只有0．3 Ω，最大相对误差为±0．1％。电路使用的A／D转换器仅相当于14位的A／D转换精度，若使用更高精度的A／D转换器，可达到更高的测量精度。在实际的热电阻传感器测温仪表中，还需加入由被测电阻转换为对应温度的相关程序。即在测量得到Rt后，由式(1)计算即可精确求解出实际的温度值。

　　3 结论

　　三线制平衡电桥法在热电阻测量中应用广泛，但存在无法消除传感器引线电阻引起测量误差的问题。本文分析了测量热电阻平衡电桥法中存在的问题，提出了恒压分压式三线制测量方法，分析了测量电路产生误差的原因及影响因素，推导并建立了待测电阻的影响参数及公式，设计了完整的测量电路，包括信号放大器和A／D转换器以及与单片机的接口电路。最终对所设计电路的测试精度进行试验测定，试验表明，三线制平衡电桥法测标准电阻值在100～300Ω，线路电阻在0～20Ω时最大测量误差达到2．57％，而平衡三线制测量误差只有±0．1％。从而获得了高精度的三线制热电阻测量电路。