本 温 度 测 量 系 统 采 用 三 线 制 恒 流 源 驱 动 法 驱 动 铂 电 阻 《电子设计工程》2010 年第 10 期 传感器 感器的固定电阻 三线制恒流源驱动法是指用硬件电路消除铂电阻传 直接测量传感器 的 电 阻变 化 零度电阻 。 （ ）， 量 。 图 1 为三线制恒流源驱动法高精度测量方案 参 考 电阻 ， 与 传 感 器 串 联 连 接 用 恒 流 源 驱 动 ， ， 电 路 各 元 件 将 产 生 相 应 的电压 传感器因温度变化部分电阻的电压可以由后 面的 放 ， 大电路和 A/D 驱动电流方向 ， 转换器直接测量 在每个电流方向上各测量一次 并采用 2 ， 次电压测量 交换 其 特点 是 直 -- 。 接测 量 传 感器 的 电 阻变 化 量 ，A/D 转换 器 利 用效 率 高 电路 ， 输出电压同电阻变化量成线性关系 传感器采用三线制接法 。 能有效地消除导线电阻和自热效应的影响 利用单片机系统 。 控制两 次 测量 电 压 可以 避 免 接线 势 垒 电压 及 放 大器 换器的失调与漂移产生的系统误差 转 还可以校准铂电阻 传 感 、A/D ， 器精度 。 恒流源与 A/D 转换器的计量比率变换原理 ， 转 换器 共 用 参考 基 准 这样 根 据 A/D 可以消除参考基准不稳 定 产 生 ， 的误差 ， 不过对恒流源要求较高 电路结构较为复杂 为了进 。 ， 一步克服噪声和随机误差对测量精度和稳定度的影 响 在上位机中采用 数值算法实现噪声抵消 最 后 大大提高了温 ， ， MLS 度测量精度和稳定度 。 图 2 三线制恒流源驱动电路 Fig. 2 Driving circuit of three-wire constant-current source 负 载 可 接 地 当 运 放 为 双 电 源 供 电 时 ， 恒定电流大小通过改变输入参考基准 ；2） 输 出 电 流 为 或调 整 很 容 易 得到 稳 定 的小 电 流 和补 VREF 的大小来实现 ， Rref0 1） 双极性 参考电阻 ；3） 偿校准 。 由于电阻的失配 参考 电 阻 的两 端 电 压将 会 受 到其 ， 的影响 Rref0 驱动负载的端电压 Vb 随负载的变化而变化 这 对 高 精度 的 恒 流源 是 不 能接 受 的 。 个电阻的选取原则是失配要尽量的小 ， 同时由于是恒流源 。 ，Vb 从而就会影响恒流源的稳定 性 所以 R1，R2，R3，R4 4 且每对电阻的失 配 大 肯定会 。 显 然 这 ， 小方向要一致 实际中 ， 。 可以对大量同一批次的精 密电 阻 进 选出其中阻值接近的 行筛选 2.2 信号调理电路 ， 个电阻 。 4 信号调理电路如图 所示 ， 3 放大器 UA3 对参考电阻 的端电压进行单位放大后得到差分放大器反向输入端 信 号 Rref ， 其值为 放 大 器 UA4 倍后得到差分放大器的正向输入端信号 其值为 VINN=I （Rref+Rt ） 对 温 度 传 感 器 （4） 的 端 电 压 放 大 2 Rt（Pt1000） ， 其中 电阻 R6 比例电阻选择原则相同 R5 ， ， VINP=2IRt （5） 的选择原则与之前恒流源分析中的 和 即通过对大量普通标称电阻 进 行筛 将 其 感 知 选 ， 从中选取阻值最接近的 。 本系统 输 出 电 图 1 三线制恒流驱动法高精度测量方案 Fig. 1 Schematic of high-precision measurement based on three-wire constant-current driving 2 系统电路设计 2.1 三线制恒流源驱动电路 恒流源驱动电路负责驱动温度传感 器 Pt1000， 的随温度变化的电阻信号转换成可测量的电压信号 。 温度稳定性好 中 所需恒流源要具有输出电流恒定 ， ， ， 、 阻 很 大 ， 输出 电 流 小 于 0.5 mA（Pt1000 无 自 热 效 应 的 上 限 ）， 负载一端接地 ， 输出电流极性可改变等特点 。 由 于 温 度 对 集 成 运 放 参 数 影 响 不 如 对 晶 体 管 或 场 效 应 管 参 数 影 响 显 著 好 恒流性能更高的优点 由 集 成 运 放 构 成 的 恒 流 源 具 有 稳 定 性 更 尤其在负载一端需要接地的场合 ， 获得了广泛应用 所以采用图 。 放大器 低噪声 UA1 低失调 构成加法器 ，UA2 。 所示的双运放恒流源 2 构成跟随器 ，UA1、UA2 ， 其中 。 均选用 、 设图 高开环增益双极性运算放大器 、 中参考电阻 2 Rref 上下两端的电位 分 别 OP07。 和 Va 即为同相加法器 UA1 的输出 当取 电 阻 ， Va=VREFx+Vb， 故恒流源的输出电流就为 ： R1=R2，R3=R4 Vb，Va 时 则 ， 图 3 信号调理电路 Fig. 3 Signal processing circuit 2.3 A/D 转换电路 （3） A/D 转 换 电 路 由 一 个 集 成 转 换 器 完 成 同 A/D ， 完 成 仪 表 放 大 器 的 差 分 放 大 功 能 AD7712 时 将 利 用 其 内 部 的 PGA 。 I = （Va-Vb）/ Rref0 = VREFx / Rref0 由此可见该双运放恒流源具有以下显著特点 ： －80－ 

方益喜，等 基于 PT1000 的高精度温度测量系统 AD7712 个输入通道 出 利用 。 AIN1 AD7712 是适 合 低 频测 量 的 高精 度 转 换器 片 内 含有 A/D 和 实现数据转换采集的原理电路如图 2 能将模拟信号转换 成串 行 数 据输 所示 AIN2， 。 4 ， 输 实际工作时需要对其进行配置 选用差分输入通道 。 AIN1， 入信号极性为双极性 。 图 4 AD7712 的典型接线电路 的 误 差 ， 为了达 塑 UPR 5 ppm 增益温 Fig. 4 Typical circuit for AD7712 测 量 结 果 的 误 差 主 要 来 源 于 参 考 电 阻 以及差分放大倍数 到要求的测量精 度 和 k 参考 电 阻 A/D ， Rref、Rref0 转换器转换输出的误差 。 将采 用 定 制的 Rref、Rref0 封金属箔电阻 的温度稳定性 度稳定性小于 这种电阻具有 ， 0.05% 的初始精度 小于 ， 。 AD7712 的非线性误差小于 0.001 5%， 2 ppm， 并且还可以通过单片机 对 AD7712 进 行校准来减小其非线性误差以及增益误差 。 3 定标与实测结果 3.1 测量系统定标 首 先 用 高 精 度 电 阻 箱 误 差 代 替 对 测 量 系统进行定标 标定数据 温度 关 系 通过改变电阻箱的取值来设定相对应的测 试 温度 根据式 Pt1000 2 。 / 5 ppm） （ 所示的实测 Pt1000 电阻 ， 点标称值 ， 经 过 测量 系 统 、A/D 采样 和 上 位机 程 序 计算 得 到 ， 测量温度显示值 。 根据初测数据对测量电路 补偿 电压 进 行 、 校准后 ， 得到测量系统定标数据如表 所示 。 测量系统定标结果及误差 1 表 1 Tab. 1 Calibrating results and errors of measurement system 设定温度 电阻箱取值 测量温度 误差 /Ω /℃ /℃ /℃ 00.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.000 1 000.00 1 039.03 1 077.94 1 116.73 1 155.41 1 193.97 1 232.42 1 270.75 1 308.97 1 347.07 1 385.06 00.001 09.999 20.000 30.000 40.001 50.001 59.997 69.997 80.000 90.002 100.0030 0.000 -0.0010 0.000 0.000 0.001 0.001 -0.0030 -0.0030 0.000 0.002 0.003 从 表 测 量 数 据 可 见 测 量 系 统 引 入 的 最 大 误 差 为 1 因此 只 要 ， 铂电 阻 的 定标 误 差 足够 小 整个温度测量系统就可以满足高精度的测量要求 Pt1000 精 度 ， 。 0.003℃。 高 3.2 恒温箱实测 ， 将铂电阻传感器 Pt1000 接入测量系统 ， 并置入高精度恒 进 行整 个 温 度测 量 系 统定 标 测 量 温箱中 （ 温 控精 度 0.01℃） 测 量 时 要 注 意 恒 温 箱 的 密 封 箱温度稳定后 每隔 ， ， 3 min 以 提 高 环 境 温 度 稳 定 性 对同一温度点进行 。 恒 温 测 。 ； 次测量 20 量温度值数据及处理结果如表 所示 。 2 由于设备条件 所 限 ， 测量温度范围只有 （10~70℃）。 表 2 恒温箱测量结果及误差 Tab.2 Measuring results and errors of the ℃ 系统误差 -0.0010 0.000 0.000 0.003 0.002 -0.0030 -0.0090 次测 量 数 据 20 系 统 误 差 是 恒 由 。 且 在 0.005℃， -0.009℃， 说明 constant-temperature-chest 恒温箱温度 测量温度平均值 随机误差 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 09.999 20.000 30.000 40.003 50.002 59.997 69.991 0.002 0.002 0.002 0.002 0.003 0.003 0.005 表 中 ， 2 随机误差是根据同一 温度 点 的 计 算 出 的 标 准 偏 差 温箱设定温度与本温度测量系统测量温度平均值的差值 （б=SQR[（xi-X）2/（n-1）] ）； 表 2 中 数 据可 见 接近室温时最小 测 量系 统 的 最大 随 机 误差 为 ， 测量系统的最大系统误差为 ； 铂 电 阻 传 感 器 的 定 标 误 差 较 小 Pt1000 高精度温度测量系统的测量要求 能与恒温箱温度控制精度有关 精 度 也 较 高 能 满 足 ， ， 但温度高端误差 较大 可 ， ， 有待于进一步定标 ， 。 4 结 论 利用三线制恒流源驱动 Pt1000 电阻和自热效应对测量精度的影响 铂电阻 ， 有效克服了导线 利用单片机计算双极性 ； 驱动电流下的两次测量电压可有效避免接线势垒电压及放大 器 转换器的失调与漂移产生的系统误差 恒流源与 、A/D 转换器共用参考基准 ， A/D 有效消除了参考基准不稳定产生的误 ； 差 。 在上位机中采用 MLS 数值算法抵消噪声 声和随机误差对测量精度和稳定度的影响 ， 进一步克服了噪 ， 大大提高了温度 使得整机最大的测量误差不大于 测量精度和稳定度 参考文献： [1] 薛清华．高精度多通道温度测量技术研究[D]．武汉 ：华中科 0.01℃。 ， 技大学出版社，2007. [2] 杨永军．温度测量计算现状和发展概述[J]．计测技术，2009， 29（4）：62-65. YANG Yong-jun． The actuality and development of the tem- perature measuring [J].Metrology and Measurement Techno- logy，2009，29（4）：62-65. －81－ 

《电子设计工程》2010 年第 10 期 [3] 易先军，文小玲，刘翠梅．一种高精度温度测量电路设计[J]． 仪器仪表用户，2008，15（6）：72-73. YI Xian-jun，WEN Xiao-ling，LIU Cui-mei．A high-precision temperature measurement circuit design[J]. Electronic Instru- LI Bo， CHEN Guang-hua， XU Xing， et al. Multi-channel high -precision temperature measurement system based on NTCR [J].Instrument Technique and Sensor，2008（5）:87-88. [6] 朱育红．工业铂电阻精确测温方法[J]．中国测试技术，2007， mentation Customer，2008，15（6）：72-73. 33（4）：50-52. [4] 杨彦伟．高精度温度测量系统的设计[J]. 电子技术，2004（7）： 18-20. ZHU Yu-hong. An accurate measurement method for platinum resistance[J]．China Measurement Technology ，2007，33（4）： YANG Yan-wei. A design of high-precision temperature 50-52. measurement system[J].Electronic Technology，2004（7）:18-20. [5] 李波 ，陈光华 ，徐行 ，等. 基于热敏 电阻 的 多 通道 高 精 度温 度测量系统[J]. 电子技术，2008（5）：87-88. [7] 北 京 赛 亿 凌 科 技 有 限 公 司 . 铂 电 阻 温 度 传 感 器 Datasheet [EB/OL].[2010-04-10]. http://www.bjsailing.com.cn /product/ images/wendu2.pdf. （上接第 78 页）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! SUN Kai-ying， LI Song， ZHANG Fan， et al. Design of DS1099.pdf. programmable filter based in MAX262 [J]. Electronic Design Engineering，2008（5）：44-46. [5] Silicon Laboratories Integrater Products. C8052F020 Datasheet [7] 李小朋，辛云宏，刘丽丽，等. MAX262 滤波器在地下金属管 线探测仪中的应用[J]. 现代电子技术，2009（11）：135-137. LI Xiao-peng，XIN Yun-hong，LIU Li-li， et al. Application of [EB/OL]. （2003 -12 -03） [2009 -11 -25]. http://www.xhl.com. filter chip MAX262 in underground metal line detecting cn/xhl/downfile/e-C8051F02x.pdf. equipment [ J ] . Modern Electronics Technique ， 2009 （ 11 ） ： [6] Maxim Integrated Products. DS1099 Datasheet[EB/OL]. （2007- 135-137. 09 -12） [2010 -3 -10]. http://datasheets.maximic.com/en/ds/ """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 意法半导体（ST）引领 MEMS 产业发展趋势 全球最大的消费电子与便携设备 MEMS（微机电系统 ）供应商 意法半导体宣布 ，事业部副总裁兼 MEMS、传感器和高 性 能 模拟产品部总经理 Benedetto Vigna 将于 2010 年台湾 SEMICON 国际半导体展 MEMS 创新技术趋势论坛发表开幕演讲 ， 以移 动市场为主轴，探讨传感器集成技术所面临的挑战及未来智能传感器系统解决方案的发展趋势 。 游戏平台 Wii 和智能手机 iPhone 引起的市场风潮大举带动 MEMS 技术、产品及应用的发展 。 根据市调机构 iSuppli 最新报 告显示，MEMS 市场在 2010 年将持续成长， 预计 2010 年将会缔造 15 亿美元的市场 ，2014 年更将大幅成长至 30 亿美元以上 。 尤其消费电子以及移动应用市场更将成为 2014 年 MEMS 市场的主力。 Benedetto Vigna 表 示 ：“意 法 半 导 体 已 制 造 超 过 8.5 亿 颗 包 括 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 的 MEMS 产 品 ， 并 在 消 费 电 子 和 手 机 MEMS 市场拥有超过 50%的全球市场占有率 ，在汽车与工业等其它 MEMS 市场也拥有 21%的市场占有率。 我们是第一家通过 三轴数字陀螺仪进入手机市场的公司；我们预计用于各种领域的 MEMS 传感器将于 2010 年底前突破累计 10 亿颗出货量。 意 法半导体还准备将消费市场的成功经验所产生的规模经济效益 ，引入包括医疗 、工业及汽车电子等更广泛的应用领域 。 ” 作为一站式 MEMS 产品供应商，意法半导体为智能传感器模块应用奠定发展基础 。 凭借在传感器与应用领域的专业知识 及可扩展的制造能力 （尤其在封装与测试方面 ）， 意法半导体可以在单一封装内提供整合各种不同元器件的完整系统解决方 案，包括加速度计、陀螺仪、罗盘、温度传感器、麦克风、微控制器、接口 IC 以及可实现无线网络的连接元器件。 藉由将多个传感器整合到单一封装内 ，除了可缩小体积及成本降低外 ，客户还可获得以下市场竞争优势 ：缩短 设 计 周期 ； 可提供更高的感测自由度，进而实现更多创新应用 ； 缩短应用的开发时间 ； 减少外部元器件的数量 ； 更高的性能及可靠性； 更容易组装，进而降低组装失败率 。 咨询编号：2010101011 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 欢迎订阅 2010 年度《 电子设计工程 》 （月刊） 国内邮发代号:52-142 －82－ 国际发行代号：M2996 订价：6.00 元/期 72.00 元/年