多通道石英晶体测温仪的设计与实现

　　1　石英晶体测温原理与特点

　　在-200～200℃的温度范围内,石英晶体谐振器的温频特性[1]可表示为

　　式中　f0是温度为t0时的谐振频率,Hz;f(t)是温度为t时的谐振频率,Hz;T(f)=1n! nff0 tn为晶体的n阶频温系数.为简单起见,取t0=0℃并将一阶、二阶、三阶频温系数用α,β,γ表示,则式(1)可

　　当晶体采用LC切割时,理论上可使高次项系数为零,于是有f(t)=f0×(1+αt)或Δf=f(t)-f0=Bt,这里B=df(t)/dt=f0×α为感温灵敏度,Hz/℃.可见只要测量Δf并按B值进行线性定标,即可实现温度测量.

　　石英晶体用于测温有着显著的优点.首先,它是频率型传感器,在电子测量中,频率和时间的测量易于实现高精度;与模拟式传感器系统比较,不需要进行模拟信号加工,也无需A/D转换,因而误差来源减少,抗干扰能力大大增强;其次,石英晶体的等效谐振回路品质因数极高,用其构成的谐振回路有很高的频率稳定度.以上两条,为实现用石英晶体测温奠定了有力的基础.常用的测温晶体的切型有LC切和Y切两种,其性能比较如表1.

　　2　系统硬件设计

　　2.1　技术指标

　　测温范围:0～80℃;通道数:8;分辨力:0.001℃;准确度:±0.05℃.

　　2.2　系统硬件设计

　　系统设计应追求尽可能高的性能价格比,本系统硬件框图如图1.

　　主控器8031控制8253的工作方式将恒温晶振(标频f=10 Hz,日稳定度为1×10-8) 分频获得主闸门,同时控制数据选择器以选择标频或测温晶体谐振器(以下简称感温探头)的输出进入系统以实现自校或测试.任何时候,都是利用闸门关闭的下降沿向8031申请中断,通知CPU处理数据,现将部分电路简述如下.

　　2.2.1　测温晶体选择与测温探头电路

　　如表1,为了降低成本,选用国产10 MHz、Y切测温晶体,其B≈900 Hz/℃,感温灵敏度较高,但非线性较大,对后者拟用软件进行修正.

　　测温探头电路框图如图2.主振电路元件要求温度特性稳定,并经老化筛选,晶体的激励电平要调整合适,晶体必须进行老化以减小漂移[3].处理后的老化率可达10-7/年.

　　2.2.2　闸门电路与计数电路

　　在一定的感温灵敏度下,闸门宽度确定了测温分辨力.现要求数温转换因子K=1×103/℃,则计数闸门宽度T可由下式确定:T≥K/B=1×103/900=1.12 s,取T=1.2 s.利用恒温晶振、预分频器和8253的T0,T1工作在方式3与方式2,可获得所需要的闸门时间,改变预置数可灵活地改变闸门宽度.

　　计数电路由预计数器与定时器T0构成,预计数器为8位,以确保T0的计数频率低于CPU主振频率的1/24,取数申请由闸门后沿提出,INT0工作于边沿触发式.