基于ADS1240的RTD精确温度测量系统设计

　　0　引言

　　在温度测量系统中,温度传感器和模/数(A/D) 转换器是非常重要的器件.由于热电阻RTD具有稳定、精确和可重复利用的特点并且比其它温度传感器(例如,热电偶)线性度高,因此得到了广泛的应用.但RTD具有自加热效应,自加热效应会改变 RTD的阻抗值并且产生测量误差.RTD的另一个缺点是温度转换成的阻抗值很小,因此A/D转换器的选择非常重要.众所周知,A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置,它是模拟系统和计算机之间的接口,它的性能优劣直接影响到整个控制系统的性能指标.考虑用低电流激励使RTD 的自加热减到最小,用高精度、高分辨率的A/D转换器测量很小的电压变化并校准误差,用高性能的单片机进行控制,即可消除测量误差并大大提高测量精度.笔者设计的温度测量系统,由于采用了高性能的A/D转换器ADS1240和AVR单片机 AT90S8535,从而使该系统具有高性能、低成本的特点,具有广阔的应用前景.

　　1　温度测量系统工作原理

　　笔者设计的温度测量系统,采用美国TEXASINSTRUMENTS公司推出的24位高精度Δ-Σ模-数转换器ADS1240,它具有8个差动输入通道,RTD可以直接与ADS1240的输入端连接,而不必经过信号调节电路.同时采用高性能、低功耗的AVR单片机AT90S8535与ADS1240进行通信,读变换器中的数值,在LCD上显示测量结果,大大简化了电路,其硬件图如图1所示.

　　图1中采用了RTD三线式结构,如果RTD的导线长度相匹配,三线式的导线电阻产生的测量误差可减到最小.这种结构可测量绝对温度或温度差.图中电阻RREF接到正负参考电压之间,由于导线电阻RL和RTD的电阻与RREF相比可以忽略,所以参考电压的值总是接近电源电压值.与RTD直接相连的ADS1240是一种精度高、动态范围宽的A/D转换器.这种模数转换器具有24位分辨率,可以在全量程的50%范围内自校准误差,它采用与SPI兼容的串行接口,可以方便的与单片机、DSP等连接.它主要由输入模拟量多路选择器、输入缓冲器、可编程增益放大器、偏移补偿数模转换器、寄存器、调节器、数字滤波器、时钟发生器、串行接口电路等部分组成.它的功率损耗小于1mW.它的这些特性大大简化了温度测量系统.

　　特别是ADS1240的多路输入通道选择器允许模拟输入的任意组合作为差动输入对,利用这个特点,该系统可以精确地分别计算每一个RTD的电压,可以测量导线电阻误差并对其进行校准,而以往都是利用附加通道来校准.这样,用一个简单的接口就可实现用低成本准确地测量温度.

　　例如,当输入多路选择器把AIN0—AIN1设为差动对时(见图1),RTD1的导线电阻能直接测量出来.(A/D转换器的输入电阻防止大电流通过装置,因此变换会在导线电阻上产生电压降.)当输入多路选择器把AIN1—AIN2设为差动对时,可测量出RTD1和它另一端导线电阻上的电压降.如果RTD1两端导线长度相等,则两端导线上的电压降也相等.从AIN1—AIN2端的测量结果减去AIN0—AIN1端的测量结果就得到RTD1上的电压降.我们可以利用A/D转换器的偏移校准寄存器来自动进行这个运算.因此从AIN1—AIN2端测量的结果是RTD1上电压降的准确值.