AD7799在热敏电阻高测温系统中的应用

 

　　温度测量遍布于各种工业现场，可是要实现、快速的温度测量并非易事。困难的主要原因是温度信号本身并不像一般的物理信号那么容易直接检测，并且通常需要以数字形式保存或记录温度测量数据，这些将涉及到传感器技术、测量和数据处理等技术。本系统中，主要选用24位的AD7799和NTC（负温度系数）玻封热敏电阻，实现了对温度的快速、高灵敏度和高测量。

　　1 高测温系统组成

　　该测温系统是"投弃式温盐深海流剖面测量系统"的测温部分，采用MSP430为MCU,精密的基准电压模块为A/D转换器提供参考电压，同时也为热敏电阻电桥提供激励源，AD7799的第3通道为测温通道，其余2通道用于测量其他参数。MCU将采集的数据通过RS485发送给工作站。其系统框图如图1所示。

　　2 高测温系统硬件设计

　　2.1 AD7799及其应用

　　AD7799均为适合高测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声16位/24位Σ-Δ型ADC,其中含有3个差分模拟输入，还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。当增益设置为64、更新速率为4.17 Hz时，AD7799的均方根（RMS）噪声为27 nV.AD7799片内特性包括一个低端电源开关、基准电压检测、可编程数字输出引脚、熔断电流控制和一个内部时钟振荡器。输出数据速率可通过软件编程设置，可在4.17 Hz至470 Hz的范围内变化。AD7799采用2.7 V至5.25 V电源供电，这种器件均采用16引脚TSSOP封装。如图2为AD7799的引脚配置。

　　设计中AD7799通过SPI串行接口与MSP430单片机连接，通过软件设置其第3通道为测温通道，转换频率为50Hz,内部增益为2可达到满意的测量效果。

　　AD7799是一个高A/D转换器，为达到理想的使用效果，在具体设计中需要注意：A/D模拟输入端一般在缓冲器模式，以增加A/D转换器的输入电阻，减少信号源内阻对结果的影响；输入端采用全差分模式，避免AIN-接地，减少地线噪声干扰；差分信号线要短且对称；数字电路和模拟电路尽可能分开，避免相互交叠；信号线尽可能走焊盘面；AD7799的GND引脚和REFN-均与模拟地相连，数字地和模拟地应在同一点相连，AD7799位于这个连接点的上方；数字电源、模拟电源和参考电源相互隔离，并且都要用10μF钽电容和0.1μ斗F瓷片电容去耦，电容尽量靠近电源引脚。

　　2.2 温度传感器及其组成模块

　　利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展。

　　系统温度传感器选用热敏电阻，热敏电阻具有以下特点：1）很大的负电阻温度系数，因此其温度测量灵敏度高；2）体积小，故热容量很小，可用于快速变化温度的测量；3）响应速度快，尤其是珠状玻封热敏电阻，其响应时间低于50 ms;4）具有很大的电阻值（kΩ级），因此导线电阻及接触电阻对测量的影响可忽略。该系统选用MF51型高热敏电阻，温漂为0.002℃/a.

　　系统硬件连接如图3所示，基准电压选用ISL21009BFB812Z,该芯片输出1.250 V基准电压，可达±0.5 mV,温漂为3 ppm/℃，作为AD7799的参考电压，同时其输出电流达7 mA,可为测温电桥的激励源。测温电桥中的3个电阻与热敏电阻RT构成一个单臂电桥，热敏电阻RT随温度的变化引起电桥的电位差发生变化。系统中R1、R2、R3均为7.5 kΩ（1/1000）25 ppm的标准精密金属膜电阻，热敏电阻阻值在3~15 kΩ变化（相当于温度在40~-4℃范围内的变化，此为海洋温度范围）形成-0.20~0.25 V的差分信号输出。

　　3 测温电路校准方法

　　MF51型热敏电阻的电阻值R与温度t之间存在着严重的非线性关系，如图4所示，因此，对其进行校准、计算所采用的方法也是影响测温的关键。常见的R-t建模方法有B值法（B为温度量纲，与热敏电阻材料有关）、Steinhart-hart方程法、分段拟合法等，但这些方法都不能满足测量的要求。

　　为得到高的R-t关系，设计中不是单独校准热敏电阻，而是采用热敏电阻与测温电路共同校准的方法，这样，可以限度减小诸如电桥电阻容差、元器件温漂、A/D模块的缓冲电压失调等元器件本身的非理想特性所带来的系统误差。

　　利用HJ6A型低温恒温试验箱为热敏电阻提供不同的温度环境，在-4~40℃间相对均匀地取100个温度点，记录此100个温度点下热敏电阻输出所对应的A/D转换值，以此为基础利用插值法，在实际测量中MCU根据即时的A/D转换值可计算得到当前温度值。

　　该方法虽然需要对每个系统都要单独测量大量温度值和所对应的A/D转换值，但是系统终的测量仅依赖于后期的校正，避免了器件个体差异对的影响。

　　4 高测温系统软件设计

　　系统软件是在IAR Embedded Workbench开发环境下采用C语言对单片机编程。单片机通过对AD7799片内寄存器的编程，即通过写其中的寄存器，来实现通道选择、增益选择、转换速度选择和A/D转换等功能。不管读写哪个寄存器，单片机都必须先写通信寄存器，以确定下一步是读或写，是访问哪一个寄存器。软件设计流程如图5所示。

　　在对AD7799的参数配置中，要注意增益倍数和转换频率的设置。增益倍数越大，A/D转换稳定的位数就越少；而转换频率太高，也会影响器件的。因此，根据基准电压计传感器的输出信号，配置放大倍数为2;考虑到系统对响应时间的要求，将转换频率配置50 Hz,可达到20位以上的均方值RMS。

　　5 实验结果

　　利用HJ6A低温恒温试验箱为系统提供多个温度点进行温度测量验证，表1为系统部分测量数据，可以看出，本系统测温可达到0.02℃。

　　此外，系统还搭载中科院南海所实验1号实验船进行了为期1个月的海上实验，期间进行了3套系统对海洋剖面参数的测量，测试结果证明，本系统性能可靠，度高。表2为南海实验水温随深度变化的部分数据。

　　6 结束语

　　该测温系统系"投弃式温盐深海流剖面测量系统"的测温部分，要求系统必须功耗低、高。本测温系统充分利用了AD7799的高、低功耗、多通道特点，实现了对海洋温度的测量，测量可达0.02℃，系统分辨率超过0.001℃。经过海上实际环境试验，系统工作可靠。同时本系统结构简单，对于AD7799在测量压力、流量、气体浓度等和应用热敏电阻的高测温方面有一定的参考作用。