热电偶毫伏信号发生器的设计与实现

　　热电偶由于其测量温度范围宽、结构简单以及价格相对便宜等优点，已经在工业测量中得到了广泛的应用。由热电偶产生的热电动势为毫伏级，如果要求较高的精度则要达到微伏级，同时相同温度产生的热电动势和热电偶的型号相关，并且会受到基准节点温度的影响，因此在测量过程中需要加入补偿电路。目前热电偶测量仪表的校准方法主要有两种，一种是将热电偶放在恒温热源环境中进行标定[1]，另一种是用毫伏电压发生器产生高精度毫伏电压进行标定[2]。

　　采用第一种方法比较简单，但是标准热源实现困难，校准精度取决于热源的测量精度，而且在校准过程中需要长时间地等待温度稳定; 采用第二种方法精度较高，但需要大量地查表计算。

　　利用上位机软件 LabVIEW 的数据处理优势，将高速计算和高精度电压产生相结合，可以快速地产生出各种热电偶在不同的测量温度和不同的基准节点所处环境温度所对应的热电动势; 同时操作方便，支持多路独立输出，提高了热电偶仪表的校准效率。

　　1 系统设计

　　1. 1 总体设计

　　设计的热电偶毫伏信号发生器主要由三部分组成: 上位机、单片机系统( 包含通信接口和 DAC 转换器) 和模拟运算电路。系统框图如图 1 所示。上位机按 照用户的要求( 热电偶种类、被测温度和环境温度) ，将计算出的 12 位 DAC 编码送出，通过串口将数据发送到单片机，然后单片机依据该 12 位的 DAC 编码控制 DAC 输出相应的电压。

　　1. 2 上位机软件算法设计与系统误差分析

　　热电偶产生的热电动势和温差之间的关系不是严格的线性关系，以 K 型热电偶为例，在 0 ～600 ℃的温度范围内，大概有 - 1% 的非线性误差，相当于存在6 ℃ 的误差，所以必须对其非线性误差进行修正[3]。

　　首先将不同类型的热电偶分度表拟合出函数关系即拟合函数，然后计算机根据这个拟合函数计算出在设定的被测温度和基准节点温度时热电偶所产生的热电动势的大小，最后将数据送往单片机，经 DAC 转换产生对应的毫伏电压。其中所使用的拟合函数参照标准ASTM E230[4]。

　　设计的热电偶信号发生器能够设定的被测温度范围为 0 ～350 ℃，环境温度范围为 0 ～50 ℃，适用于 K型和 J 型两种热电偶信号的产生。由于 DAC 转换电压的非连续性，DAC 在转换电压的过程中必定会存在量化误差。下面以12 位的 DAC 用于 K 型热电偶信号产生为例，分析量化误差的大小。

　　通过查分度表可知，50 ℃和 350 ℃所对应的热电动势分别为2. 023 mV 和14. 293 mV。在50 ℃的环境温度下，0 ℃ 的被测温度所对应的电动势为 - 2. 023mV，在 0 ℃ 的环境温度下，350 ℃ 的被测温度所对应的电动势为 14. 293 mV。按照要求，所有的应用情况产生的电压都应在 -2. 023 ～14. 293 mV 的范围内，而J 型热电偶产生的电压范围为 - 2. 585 ～ 19. 090 mV。为了能够同时满足两种热电偶信号产生的要求，设定DAC 产生的电压经过模拟衰减和调整后的输出范围为 -3. 000 ～20. 000 mV。理想的 DAC 编码为