AD轉換精度對溫度測量的影響

黨元一

摘 ?要：溫度是我們日常生活中需要經常測量的物理量。文章以PT100、PT1000熱電阻為例，討論了AD轉換精度對溫度測量的影響。得出的結論對溫度測量電路的設計、測量結果的分析具有指導意義。

關鍵詞：

中圖分類號：TP273 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）06-0179-02

溫度是國際單位制（SI）中的七個基本物理量之一，在物理學單位制中占有重要的地位。在自然界中，許多物質的特征參數與溫度密切相關。在工業生產中，諸多的生產過程或產品質量與溫度有直接或間接的關系;在科學研究中，溫度往往是需要精確測量的最重要的參數之一;在日常生活中，溫度與我們生活中的各個環節息息相關。因而溫度測量在工業生產、科學研究和日常生活中得到了廣泛應用。熱電阻是溫度測量中使用廣泛的測溫傳感器，它的測量與模數（AD）轉換有關，AD轉換精度對溫度測量產生直接的影響。

1 ?測溫原理

熱電阻是中低溫區最常用的一種溫度檢測器。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，而且被制成標準的基準儀。

本文討論的測溫方法為：將熱電阻與標準電阻串聯，測量熱電阻與標準電阻兩端的電壓，根據電壓的比等于電阻的比計算出熱電阻的阻值，通過分度表得出具體的溫度值。現討論用PT100、PT1000熱電阻進行溫度測量與AD轉換精度的關系。

2 ?PT100測溫

PT100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0 ℃時阻值為100 Ω?，F討論用PT100熱電阻進行溫度測量與AD轉換精度的關系。假設PT100與標準100 Ω的電阻串聯，接到電壓為3 V的電壓上，AD的基準電壓為3.3 V，需要精確到1 ℃，分析需要的AD轉換精度。

20 ℃時查詢PT100分度表，它的阻值為107.79 Ω。

①用8位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/256=0.012890625 V。

PT100兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×107.79/0.012890625=121，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×100/0.012890625=112。

按照電壓比等于電阻比計算出PT100的阻值為：

121/112×100=108.04，

經查詢分度表此值最接近于21 ℃，誤差為1 ℃。

②用10位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/1 024=0.0032226563。

PT100兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×107.79/0.0032226563=483，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×100/0.0032226563=448。

按照電壓比等于電阻比計算出PT100的阻值為：

483/448×100=107.81，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

③用12位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/4 096=0.0008056641。

PT100兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×107.79/0.0008056641=1 932，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.29+100）×100/0.0008056641=1 792。

按照電壓比等于電阻比計算出PT100的阻值為：

1 932/1 792×100=107.81，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

④用14位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/16 384=0.000201416。

PT100兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×107.79/0.000201416=7 726，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×100/0.000201416=7 168。

按照電壓比等于電阻比計算出PT100的阻值為：

7726/7168×100=107.78，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

⑤用16位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3V/65 536=0.000050354。

PT100兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×107.79/0.000050354=30 906，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（107.79+100）×100/0.000050354=28 672。

按照電壓比等于電阻比計算出PT100的阻值為

30 906/28 672×100=107.79，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

3 ?PT1000測溫

PT1000是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的1000即表示它在0 ℃時阻值為1 000 Ω?，F討論用PT1000熱電阻進行溫度測量與AD轉換精度的關系。假設PT1000與標準1 000 Ω的電阻串聯，接到電壓為3 V的電壓上，AD的基準電壓為3.3 V，需要精確到1 ℃，分析需要的AD轉換精度。

20 ℃時查詢PT1000分度表，它的阻值為1 077.546 Ω。

①用8位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/256=0.012890625 V。

PT1000兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 077.546/0.012890625=121，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1000/0.012890625=112。

按照電壓比等于電阻比計算出PT1000的阻值為：

121/112×1 000=1 080.357，

經查詢分度表此值最接近于21 ℃，誤差為1 ℃。

②用10位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/1 024=0.0032226563。

PT1000兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 077.546/0.0032226563=483，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1000/0.0032226563=448。

按照電壓比等于電阻比計算出PT1000的阻值為：

483/448×1 000=1 078.125，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

③用12位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/4 096=0.0008056641。

PT1000兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 077.546/0.0008056641=1 931，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 000/0.0008056641=1 792。

按照電壓比等于電阻比計算出PT1000的阻值為：

1 931/1 792×1 000=1 077.567，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

④用14位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/16 384=0.0002014160。

PT1000兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 077.546/0.000201416=7 725，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 000/0.000201416=7 169。

按照電壓比等于電阻比計算出PT1000的阻值為：

7 725/7 169×1 000=1 077.556，

經查詢分度表此值最接近于20 ℃，誤差為0 ℃。

⑤用16位的AD進行轉換，AD的最小分度為：

3.3 V/65 536=0.000050354。

PT1000兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1077.546/0.000050354=30 901，

標準電阻兩端電壓對應的轉換數為：

3/（1 077.546+1 000）×1 000/0.000050354=28 677。

按照電壓比等于電阻比計算出PT1000的阻值為：

30 901/28 677×1 000=1 077.553，

經查詢分度表此值最接近于20℃，誤差為0℃。

4 ?結 ?語

本文論述了AD轉換精度對溫度測量的影響，以PT100和PT1000為例，從計算中看出：用8位的AD進行轉換誤差為1℃，用10位以上的AD進行轉換誤差為0℃，且誤差隨著AD位數的增加而減少。

參考文獻：

[1] 蘇威，劉寧.高精度多路溫度檢測系統設計[J].自動化技術與應用，2007，（2）.

[2] 張愛民，林輝.四路智能溫度測控儀的設計[J].電子設計工程，2009，（5）.