基于AD7799的熱敏電阻高精度測(cè)溫系統(tǒng)

在海洋調(diào)查中，對(duì)于溫度參數(shù)的獲取存在環(huán)境因素上的特殊性。由于海洋中水團(tuán)邊界相互疊置，同時(shí)不同水層有溫度梯度等，要求系統(tǒng)具有高靈敏度；在海水的剖面測(cè)量中，當(dāng)在運(yùn)動(dòng)的載體上測(cè)溫(如投棄式CTD等)時(shí)，就要求系統(tǒng)傳感器有足夠的時(shí)間常數(shù)；而在海洋的一定深度下，溫度的差別微乎其微，系統(tǒng)必須具有很高的精度。本系統(tǒng)中，主要選用24位的AD7799和NTC(負(fù)溫度系數(shù))玻封熱敏電阻，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的快速、高靈敏度和高精度測(cè)量。

1 高精度測(cè)溫系統(tǒng)組成
該測(cè)溫系統(tǒng)是“投棄式溫鹽深海流剖面測(cè)量系統(tǒng)”的測(cè)溫部分，采用MSP430為MCU，精密的基準(zhǔn)電壓模塊為A／D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，同時(shí)也為熱敏電阻電橋提供激勵(lì)源，AD7799的第3通道為測(cè)溫通道，其余2通道用于測(cè)量其他參數(shù)。MCU將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485發(fā)送給工作站。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 高精度測(cè)溫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 AD7799及其應(yīng)用
系統(tǒng)的測(cè)溫分辨力及精度主要取決于A／D轉(zhuǎn)換單元，這里選用高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍、3通道24位△-∑型AD7799，該器件有完整的模擬前端，可直接測(cè)量傳感器輸出的微弱信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位無(wú)誤碼，采用三線串行口與MCU連接。AD7799具有以下特點(diǎn)：內(nèi)置1～128增益的低噪聲可編程儀表放大器；4．17～470 Hz的可編程輸出數(shù)據(jù)速率；3個(gè)差分輸入通道；50 Hz和60 Hz同步陷波，消除工頻電源干擾；極低的均方根(RMS)噪聲；低功耗；采用16引腳TSSOP封裝，如圖2為AD7799的引腳配置。

設(shè)計(jì)中AD7799通過(guò)SPI串行接口與MSP430單片機(jī)連接，通過(guò)軟件設(shè)置其第3通道為測(cè)溫通道，轉(zhuǎn)換頻率為50Hz，內(nèi)部增益為2可達(dá)到滿(mǎn)意的測(cè)量效果。
AD7799是一個(gè)高精度A／D轉(zhuǎn)換器，為達(dá)到理想的使用效果，在具體設(shè)計(jì)中需要注意：A／D模擬輸入端一般在緩沖器模式，以增加A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電阻，減少信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)結(jié)果的影響；輸入端最好采用全差分模式，避免AIN-接地，減少地線噪聲干擾；差分信號(hào)線要短且對(duì)稱(chēng)；數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開(kāi)，避免相互交疊；信號(hào)線盡可能走焊盤(pán)面；AD7799的GND引腳和REFN-均與模擬地相連，數(shù)字地和模擬地應(yīng)在同一點(diǎn)相連，AD7799位于這個(gè)連接點(diǎn)的上方；數(shù)字電源、模擬電源和參考電源相互隔離，并且都要用10μF鉭電容和0．1μ斗F瓷片電容去耦，電容盡量靠近電源引腳。
2．2 溫度傳感器及其組成模塊
系統(tǒng)溫度傳感器選用熱敏電阻，熱敏電阻具有以下特點(diǎn)：1)很大的負(fù)電阻溫度系數(shù)，因此其溫度測(cè)量靈敏度高；2)體積小，故熱容量很小，可用于快速變化溫度的測(cè)量；3)響應(yīng)速度快，尤其是珠狀玻封熱敏電阻，其響應(yīng)時(shí)間低于50 ms；4)具有很大的電阻值(kΩ級(jí))，因此導(dǎo)線電阻及接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響可忽略。該系統(tǒng)選用MF51型高精度熱敏電阻，溫漂為0．002℃／a。
系統(tǒng)硬件連接如圖3所示，基準(zhǔn)電壓選用ISL21009BFB812Z，該芯片輸出1．250 V基準(zhǔn)電壓，精度可達(dá)±0．5 mV，溫漂為3 ppm／℃，作為AD7799的參考電壓，同時(shí)其輸出電流達(dá)7 mA，可為測(cè)溫電橋的激勵(lì)源。測(cè)溫電橋中的3個(gè)電阻與熱敏電阻RT構(gòu)成一個(gè)單臂電橋，熱敏電阻RT隨溫度的變化引起電橋的電位差發(fā)生變化。系統(tǒng)中R1、R2、R3均為7．5 kΩ(1／1000)25 ppm的標(biāo)準(zhǔn)精密金屬膜電阻，熱敏電阻阻值在3～15 kΩ變化(相當(dāng)于溫度在40～-4℃范圍內(nèi)的變化，此為海洋溫度范圍)形成-0．20～0．25 V的差分信號(hào)輸出。