AD7793芯片在地溫測(cè)量中的應(yīng)用

劉煥乾

（湖南省氣象技術(shù)裝備中心，湖南 長(zhǎng)沙400017）

AD7793芯片在地溫測(cè)量中的應(yīng)用

劉煥乾

（湖南省氣象技術(shù)裝備中心，湖南 長(zhǎng)沙400017）

A D7793芯片采用四線制、多通道切換設(shè)計(jì)，較好地滿足了地溫測(cè)量中高精度溫度測(cè)量、多通道測(cè)量的要求。介紹了該芯片在地溫測(cè)量中的應(yīng)用，并分析了其在測(cè)量中容易產(chǎn)生的誤差，通過硬件優(yōu)化和軟件設(shè)計(jì)等方法進(jìn)行了改進(jìn)，最終測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具備較好的測(cè)量精度和可重復(fù)性。

溫度測(cè)量；多通道；A D7793

地溫是指地表面及其以下不同深度處土壤溫度的統(tǒng)稱，其直接表征著大氣和土壤層的熱量交換，是地表和大氣界面的重要參量，尤其在農(nóng)業(yè)和氣象領(lǐng)域有著重要意義。在溫度測(cè)量中，鉑電阻因其性能穩(wěn)定、電阻隨溫度變化呈線性關(guān)系而得到廣泛應(yīng)用[1]。筆者主要介紹了以AD7793芯片為核心部件的高精度多通道的溫度測(cè)量技術(shù)在地溫測(cè)量中的應(yīng)用，以期為地溫?cái)?shù)據(jù)采集提供新途徑。

1 AD7793芯片特點(diǎn)

AD7793芯片是適合高精度測(cè)量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、帶有3個(gè)差分模擬輸入的24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器（Analog/Digital Controller，ADC）[2-3]。它集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，可直接輸入小信號(hào)，當(dāng)增益設(shè)置為64、速率更新為4.17 Hz時(shí)，均方根（RMS）噪聲為40 nV。器件內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，同時(shí)也可采用外部差分基準(zhǔn)電壓。其片內(nèi)還包括可編程激勵(lì)電流源，有3種電流輸出選擇。器件可以采用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(shè)置，可在4.17～470 Hz的范圍內(nèi)變化。器件還可同時(shí)抑制 50 Hz/ 60Hz交流電源干擾[2]。

2 測(cè)量原理

為保證溫度測(cè)量的精度，AD7793同時(shí)內(nèi)置了高精度恒流源，測(cè)量電路采用四線制測(cè)量方法，如圖1所示。圖中IOUT為AD7793內(nèi)置的高精度恒流源，R1、R2、R3、R4為引線電阻，R5為高精度電阻，RTD為鉑電阻。AIN+、AIN-為差分電壓測(cè)量輸入端，VREF+、VREF-為參考電平輸入端。

圖1 四線溫度測(cè)量電路

恒流源通過恒定電流激勵(lì)鉑電阻，在其兩端產(chǎn)生的電壓通過 R2、R3輸入到AD7793電壓測(cè)量腳VIN+/-進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而電壓測(cè)量端為高輸入阻抗，因此產(chǎn)生的分流可以忽略不計(jì)。同時(shí)，電流流經(jīng)高精度電阻R5產(chǎn)生參考電壓，通過AD7793的VERF+/-腳輸入，作為其參考電壓。由于采用同一恒流源，有效地去除了恒流源波動(dòng)帶來的測(cè)量誤差。

研究中使用的鉑電阻PT100，在0攝氏度時(shí)電阻為100Ω，溫度每升高或者降低一度，電阻相應(yīng)正線性變化0.385Ω。因此，根據(jù)電路圖可通過公式1得到溫度值T。式中，T為溫度，U為鉑電阻兩端電壓，I為恒流源產(chǎn)生的電流。

3 多通道測(cè)量

由于氣象溫度測(cè)量中需要多路測(cè)量，而AD7793只提供3組差分模擬輸入，所以為了滿足多路測(cè)量的需要，研究采用數(shù)字控制模擬開關(guān)，通過模擬通道的切換完成對(duì)多路信號(hào)的測(cè)試，如圖2所示。

圖2 多通道測(cè)試原理圖

圖2中MCU為控制器，Multiplexer1是單路8通道模擬開關(guān)，Multiplexer2差分4通道模擬開關(guān)，RTD為被測(cè)鉑電阻，Rv為高精度電阻。控制器通過I/O口模擬通道的控制端口完成通道的切換，被測(cè)鉑電阻的測(cè)試端通過差分模擬開關(guān)連接到AD7793的電壓轉(zhuǎn)換輸入端，AD7793產(chǎn)生的恒流源電流通過單通道開關(guān)為鉑電阻提供電流，各通道共用高精度電阻，其產(chǎn)生參考電平提供給AD7793作為參考電壓。圖2只示例了2路測(cè)試，而每片差分4通道模擬開關(guān)可以滿足4路測(cè)量的需要，每片單路8通道模擬開關(guān)可以滿足8路測(cè)量的需要。擴(kuò)展時(shí)對(duì)控制器的I/O口有一定的消耗，但是擴(kuò)展時(shí)大部分控制信號(hào)可以復(fù)用，如果I/O較為緊張，可以通過譯碼器來節(jié)約控制器的I/O口。因此可以通過該方法可輕松地?cái)U(kuò)展多路測(cè)量。

4 測(cè)量中存在的問題

AD7793采樣頻率可調(diào)范圍在4.17～470 Hz，對(duì)電路進(jìn)行初始測(cè)試時(shí)，采用470 Hz高采樣頻率，發(fā)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，測(cè)量溫度有0.8℃左右的波動(dòng)。但是每次切斷電源后，最后幾組測(cè)試數(shù)據(jù)突然較為穩(wěn)定。由于電源有部分儲(chǔ)能原件，在切斷電源后，仍然能短時(shí)間提供電源完成測(cè)量，但是切斷電源后沒有交流電輸入帶來的干擾，因此判斷之前的數(shù)據(jù)波動(dòng)為電源輸入干擾[4]。在使用低采樣頻率，開啟50 Hz/60Hz抑制后，測(cè)量數(shù)據(jù)明顯穩(wěn)定很多，但測(cè)量溫度數(shù)據(jù)仍然有0.2℃左右的波動(dòng)，因此在AD差分模擬輸入針腳間加入去耦電容，再進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)只在百分位出現(xiàn)變化。

5 測(cè)量結(jié)果

將溫度傳感器放入高精度可控水浴恒溫箱，將電路采集的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比對(duì)。從10～40℃完成10個(gè)周期的測(cè)量，結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，測(cè)量誤差小于0.04℃，測(cè)量的重復(fù)性和穩(wěn)定性均達(dá)到要求（＜0.1℃）。

表1 溫度測(cè)量數(shù)據(jù) （℃）

6 結(jié)束語研究采用基于AD7793的鉑電阻多通道溫度測(cè)量系統(tǒng)，通過四線測(cè)量、內(nèi)置恒流源激勵(lì)等方式有效地提高了測(cè)量精度，同時(shí)測(cè)量穩(wěn)定性高、可重復(fù)性好、集成度高，但是不可避免地出現(xiàn)了電源引入干擾等問題，通過硬件優(yōu)化、軟件設(shè)計(jì)得到較好地解決。

[1] 劉孟德，賀海靖，杜立彬.高精度溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)[J].山東科學(xué)，2012，25（2）：72-75.

[2] 韓云杰，劉宇紅，包化偉.對(duì)多路數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2014，27（6）：137-139.

[3]董 鳴.A D7793在高精度溫控設(shè)備中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2012，（8）：30-32.

[4]張 震，王 劍，黃國輝，等.高性能通用溫度采集儀的研制[J].機(jī)電工程，2010，27（3）：80-84.

（責(zé)任編輯：成 平）

App lication of AD7793 in Geothermal Survey

LIU Huan-qian
（Meteorologic Technology Equipment Center of Hunan,Changsha 410007,PRC）

This papermainly introduced the application of AD7793 chip on the geothermal survey.As a result of four-wire system, multi-channelsw itch design,the AD7793 canmeet the requirements of the temperaturemeasurementof high precision andmulti-channel. But therewereerrorseasily happened in themeasurement,and relevantmethodswere put forward like hardware optiMization and software design to promote thesystem.Generally speaking,the systeMhasgoodmeasurementaccuracy and repeatability.

temperaturemeasurement;multi-channel;AD7793

TP216

A

1006-060X（2015）04-0143-02

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.04.044

2015-03-13

劉煥乾（1983-），男，湖南湘潭市人，工程師，主要從事氣象技術(shù)保障工作。