一款小型化、高精度的铂电阻温度计的设计

0 引言

计量检定仪器主要用来检定和标定日常科学研究和工业生产中所使用仪器的传感器是否符合使用标准。从本质上来讲，计量检定仪器是精度和分辨率都要高于日常所使用仪器的标准仪器。目前，承担大量工业企业和部分科研院所计量检定工作的省级的计量检定部门使用的铂电阻检定和校准装置的准确度约为0.1 度，分辨率为0.01 度。随着部分企业的产品研发或科学研究过程中对温度测量的要求越来越高，目前的检定装置的测量精度已经不能满足要求，而且，检定设备结构庞大、复杂，难以作为可传递的计量检定装置来为用户提供上门的高精度测温或检定服务。为了满足科学研究和工业生产对温度测量精度提高以及对铂电阻计量检定温度计小型化、易传递的需求，本文提出一种基于TI 公司ADS1247 芯片的铂电阻温度计的设计方案。

1 测量原理

将铂电阻随温度变化而变化的电阻值转换为电压信号的方式通常有两种：电桥法和恒流源法。由于电桥法存在不可避免的非线性，且需要多个电阻进行匹配，所以会在测量中引入系统误差。而恒流源法具有结构简单、线性度好的特点，但是，由于所采用恒流源输出电流波动，会在测量过程中引入随机误差，通常采用在测量通路中串联一个标准电阻的比例测量形式来消除恒流源的波动。如果恒流源的输出是稳定的，那么就可以不用串联标准电阻，直接测量铂电阻的电压降来进行温度测量。

ADS1247 是TI 公司推出的一种高性能、高精度24 位模拟数字转换器。ADS1247 单片集成一个低噪声可编程增益放大器、一个精密(ΔΣ)ADC 与一个单周期低通数字滤波器和一个内部时钟。内置10mA 低漂移电源参考和两个可编程电流型数字模拟转换器(DAC)。通过程序设置，在输出电压裕度内，DACS 可为外部提供多种强度的恒定电流，电流强度可被设置为50uA 、100 uA、250uA 、500uA 、750uA 、1000uA 、1500uA .其输出电流的绝对误差与输出电流强度有关，强度越小，误差越小。电流随温度波动约为100ppm/℃。

ADS1247 还具有一个可编程放大器(PGA)，放大倍数可为1,2,4,8,16,32,64,128.采用ADS1247 进行测温的原理如图1 所示：

在图1 中，使用匹配电阻的目的是使恒流源工作在最佳的线性区。对ADS124 的配置和测试数据的读取由单片机通过SPI 总线进行。

2 实施方法及实验

当ADS1247 的采用内部参考电压，数据采样率为5SPS,PGA 放大倍数为128 倍时，其内部的噪声电压峰峰值可低于0.05uA .Pt100 在-30-300 ℃ 范围内的阻值变化范围是88.22-212.05 欧姆。所以，为了达到最低噪声的条件，应配置ADS1247,使其输出的恒定电流为100uA .为了使恒流源输出的恒流具有较高的稳定性和线性度，其引脚的输出电压范围应在3.5-4V 的范围内，所以，要为pt100 串联一个阻值为37.4K 欧姆的电阻。ADS1247 采用内部参考电压，模拟供电电压(AVDD)和数字供电电压(DVDD)均为5V,两者之间以0 欧姆电阻分隔。所有与模拟地(AGND)连接的引脚均采用单端接地，模拟地与数字地(DVDD)之间也采用0 欧姆电阻隔离。

单片机接收到键盘输入的测量指令后，启动ADS1247,并对ADS1247 进行配置。单片机延时100ms 后，开始发起一次测量，采集30 个数据，根据Pt100 的分度表，以每一摄氏度所对应的电压范围为一个插值区间，在该范围内以万分之一摄氏度为递进单位进行线性插值。将插值后得到的温度数据按采集的时间先后顺序，分成3 个组，每组10 个数据。根据(1)式，计算每组内各温度数据的方差和。

方差反映了数据波动的程度，在三组数据中，选择方差和最小的一组数据，也就是测量值波动量最小的一组作为有效测试数据。进而，选择该组数据内方差最小的测试数据作为最终的测量值。

系统整机尺寸可控制在80×80 毫米以内。以±15V 的直流稳压电源供电，在测温精度为0.01 ℃、分辨率为0.001 ℃的低温和恒温油槽内进行测试实验。在-30-300℃范围内进行100 个温度点的测试，通过分析测试数据，最大误差不超过0.05℃，测试分辨率最大为0.004℃。

3 结论

ADS1247 片上集成的恒流源、可编程放大器(PGA)和24位的AD 转换器能够为基于铂电阻的温度测量提供优良的硬件支撑。依据方差最小原则处理温度数据能够进一步提高温度测量的精度。所设计的铂电阻温度计体积小、精度高，方便传递。