昌暉儀表設(shè)計(jì)的恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100高精度溫度測量電路利用LTC2492 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，將信號(hào)傳送給ATMEGA32單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并保存和顯示數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該電路溫度測量的精度和穩(wěn)定性均可以達(dá)到5‰之內(nèi)，與理論值一致。恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100高精度溫度測量電路通過采樣溫度穩(wěn)定系數(shù)高的高精密電阻的電壓和鉑電阻電壓的比值，消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關(guān)系。

溫度作為表征物體冷熱程度的物理量，與很多物理現(xiàn)象和化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。不同的領(lǐng)域?qū)囟葴y量精度要求各不相同，某些工藝對(duì)控溫精度要求很高，尤其是一些精密設(shè)備逐漸應(yīng)用到我們的生產(chǎn)生活中，如光刻機(jī)、超精密器件加工、色譜儀等。然而，目前某些設(shè)備中，出于技術(shù)難度、儀器體積和應(yīng)用成本的考慮，一般僅僅配置由熱敏電阻或集成型數(shù)字測溫芯片構(gòu)成的測溫探頭，其測量精度只能達(dá)到0.1-0.2℃，無法滿足測量的需求。工業(yè)上溫度的檢測方法有多種，常用的有熱電阻、熱電偶、PN結(jié)型及石英諧振型等，目前在高精度測量中，全球范圍內(nèi)大多使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)。例如：美國國家實(shí)驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)對(duì)納米測試裝置的工作腔進(jìn)行測試，其測試精度為0.001℃，但是測溫系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。針對(duì)生物制藥、精密加工、科研實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的溫度精密測量，本文對(duì)恒流源驅(qū)動(dòng)四線制高精度溫度測量電路原理進(jìn)行了分析、研究和設(shè)計(jì)，并分析了測量精度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種滿足高精度測量溫度的電路。

1、Pt100高精度溫度測量電路設(shè)計(jì)
鉑電阻不僅具有測溫精度高、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、測溫性能好、耐氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，而且在溫度非常高的環(huán)境下性質(zhì)都很穩(wěn)定。因此，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)被國標(biāo)ITS-90規(guī)定為基準(zhǔn)測溫儀器，目前市場上已出現(xiàn)的Pt系列測溫?zé)犭娮栌蠵t100、Pt10、Pt100、Pt200等傳感器。Pt100鉑電阻測溫范圍在-200~850℃之間，允許通過不高于5mA的電流，它的非線性偏差不超過0.5℃，最小置入深度不能小于200mm，其分辨率可達(dá)1mK。所以，當(dāng)溫度變化范圍在-200~850℃之間時(shí)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度的測量精度要求，即溫度測量精度可以達(dá)到該電路的設(shè)計(jì)理論值1‰。

當(dāng)鉑電阻被放置的環(huán)境溫度在-200~850℃之間變化時(shí)，其所置環(huán)境溫度變化與電阻阻值接近線性的關(guān)系，國標(biāo)規(guī)定Pt100０鉑電阻在0℃時(shí)，其電阻值R0=100Ω。

①系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)Pt100高精度溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，具體工作流程如圖1所示。設(shè)計(jì)電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)中央控制模塊、儲(chǔ)存電路、顯示電路、A/D采樣電路、改進(jìn)的四線制恒流源驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和Pt100鉑電阻溫度傳感器。其中單片機(jī)微處理器選擇的是ATMEGA32，A/D轉(zhuǎn)換器選用的是24位的LTC2492，溫度傳感器選用的是Pt100鉑電阻。
 
圖1  高精度溫度測量系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖
Pt100高精度溫度測量系統(tǒng)采用Pt100鉑電阻溫度傳感器，通過恒流源電路作為驅(qū)動(dòng)電路，恒流源本身電阻無限大，具有不受溫度變化影響的特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于電路的設(shè)計(jì)之中，其主要作用是為所設(shè)計(jì)的電路提供一個(gè)不隨負(fù)載變化而變化的恒定電流。在高精度測溫電路中需要準(zhǔn)確地測得鉑電阻阻值的變化情況，以便可以將阻值變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，從而轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，獲得待測環(huán)境的溫度。恒流源是準(zhǔn)確測得鉑電阻阻值的前提條件。將與溫度有關(guān)的電阻信號(hào)變換成能被A/D轉(zhuǎn)換器接受的電壓信號(hào)。運(yùn)用恒流源電路，使得輸出電壓與電阻成良好的線性關(guān)系，解決單片機(jī)處理的電壓信號(hào)的非線性變化問題。
 
②Pt100高精度溫度測量電路設(shè)計(jì)
Pt100四線制接線是指鉑電阻的兩側(cè)分別接引兩根導(dǎo)線，是一種高精度的測溫方法。它在Pt100二線制接線方法上分別外接一根A/D采樣補(bǔ)償線和一根A/D對(duì)地補(bǔ)償線。其中鉑電阻一端的導(dǎo)線將鉑電阻的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，其他兩條導(dǎo)線將電信號(hào)傳送到信號(hào)處理器。這樣的接線方式將引線電阻的影響完全消減，可用于精度高、距離遠(yuǎn)的場所。同時(shí)注意將恒流源輸出的電流控制在5mA以內(nèi)，避免電流過大導(dǎo)致鉑電阻過熱而給測量帶來誤差。普通四線制恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100測溫系統(tǒng)受溫度電流漂移等影響，溫度測量準(zhǔn)確率較低，很難超過0.1℃量級(jí)，因此，本文采用的是改進(jìn)后的四線制接線法，以保證測量的精度和穩(wěn)定度。具體Pt100高精度溫度測量電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2   改進(jìn)的四線制Pt100恒流源驅(qū)動(dòng)溫度測量電路原理圖

圖2中X1、X2、X3、X4分別為鉑電阻傳感器的四根引線的等效電阻。以R4電阻的電壓值做為基準(zhǔn)電壓，在本設(shè)計(jì)中R4取值為500Ω，基準(zhǔn)參考電壓、恒流源的設(shè)計(jì)嚴(yán)重影響著電路的的測量精度和穩(wěn)定度?；鶞?zhǔn)參考電壓VRef是否穩(wěn)定且低溫漂是保證本文中高精度測溫的重要前提。以三極管8550構(gòu)成的鏡像電流源來減小外界干擾，避免誤差。在此基礎(chǔ)上串聯(lián)高精密電阻R0，此高精密電阻的溫度變化系數(shù)為1ppm，即溫度變化1℃其電阻值變化為10^-6 Ω，本設(shè)計(jì)中R0取值為100Ω。

根據(jù)電子線路理論，Pt100鉑電阻溫度傳感器的電流I為

基準(zhǔn)參考電壓VRef為VRef=I×R4； Pt100鉑電阻的電壓為VPt100=I×RPt100；精密電阻R0的電壓為VR0=I×R0
最終采取獲得Pt100鉑電阻的電壓和精密電阻R0的電壓二者電壓的比值，即

從而消除了恒流源由于溫度漂移等因素影響的電流變化，使得輸出電壓比值與鉑電阻成良好的線性關(guān)系。將得到的電壓信號(hào)通過24位A/D轉(zhuǎn)換器LTC2492進(jìn)行采樣，然后將信號(hào)傳送給ATMEGA3232單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并保存和顯示數(shù)據(jù)。該電路的溫度測量的穩(wěn)定性可以達(dá)到1‰。
 
2、恒流源驅(qū)動(dòng)Pt100高精度溫度測量電路設(shè)計(jì)結(jié)果與分析
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程框圖和設(shè)計(jì)電路，高精度溫度測量系統(tǒng)電路測試驗(yàn)證通過改變電位器的阻值來模擬鉑電阻溫度傳感器測試，利用福祿克5?多用表8808A測量電位器的阻值進(jìn)行測量標(biāo)定。取部分測量數(shù)據(jù)作為測量儀測量Pt100的標(biāo)準(zhǔn)值，如表1第1列所示；第2-第4列分別為參考電壓值、精密電阻R0的電壓值V100和Pt100的電壓值VPt100；最后1列為Pt100的測量計(jì)算值。