基于AD7799的熱敏電阻高精度測溫系統(tǒng)

在海洋調查中，對于溫度參數(shù)的獲取存在環(huán)境因素上的特殊性。由于海洋中水團邊界相互疊置，同時不同水層有溫度梯度等，要求系統(tǒng)具有高靈敏度；在海水的剖面測量中，當在運動的載體上測溫(如投棄式CTD等)時，就要求系統(tǒng)傳感器有足夠的時間常數(shù)；而在海洋的一定深度下，溫度的差別微乎其微，系統(tǒng)必須具有很高的精度。本系統(tǒng)中，主要選用24位的AD7799和NTC(負溫度系數(shù))玻封熱敏電阻，實現(xiàn)了對溫度的快速、高靈敏度和高精度測量。

1 高精度測溫系統(tǒng)組成
該測溫系統(tǒng)是“投棄式溫鹽深海流剖面測量系統(tǒng)”的測溫部分，采用MSP430為MCU，精密的基準電壓模塊為A／D轉換器提供參考電壓，同時也為熱敏電阻電橋提供激勵源，AD7799的第3通道為測溫通道，其余2通道用于測量其他參數(shù)。MCU將采集的數(shù)據(jù)通過RS485發(fā)送給工作站。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 高精度測溫系統(tǒng)硬件設計
2．1 AD7799及其應用
系統(tǒng)的測溫分辨力及精度主要取決于A／D轉換單元，這里選用高精度、寬動態(tài)范圍、3通道24位△-∑型AD7799，該器件有完整的模擬前端，可直接測量傳感器輸出的微弱信號，轉換精度達到24位無誤碼，采用三線串行口與MCU連接。AD7799具有以下特點：內置1～128增益的低噪聲可編程儀表放大器；4．17～470 Hz的可編程輸出數(shù)據(jù)速率；3個差分輸入通道；50 Hz和60 Hz同步陷波，消除工頻電源干擾；極低的均方根(RMS)噪聲；低功耗；采用16引腳TSSOP封裝，如圖2為AD7799的引腳配置。

設計中AD7799通過SPI串行接口與MSP430單片機連接，通過軟件設置其第3通道為測溫通道，轉換頻率為50Hz，內部增益為2可達到滿意的測量效果。
AD7799是一個高精度A／D轉換器，為達到理想的使用效果，在具體設計中需要注意：A／D模擬輸入端一般在緩沖器模式，以增加A／D轉換器的輸入電阻，減少信號源內阻對結果的影響；輸入端最好采用全差分模式，避免AIN-接地，減少地線噪聲干擾；差分信號線要短且對稱；數(shù)字電路和模擬電路盡可能分開，避免相互交疊；信號線盡可能走焊盤面；AD7799的GND引腳和REFN-均與模擬地相連，數(shù)字地和模擬地應在同一點相連，AD7799位于這個連接點的上方；數(shù)字電源、模擬電源和參考電源相互隔離，并且都要用10μF鉭電容和0．1μ斗F瓷片電容去耦，電容盡量靠近電源引腳。
2．2 溫度傳感器及其組成模塊
系統(tǒng)溫度傳感器選用熱敏電阻，熱敏電阻具有以下特點：1)很大的負電阻溫度系數(shù)，因此其溫度測量靈敏度高；2)體積小，故熱容量很小，可用于快速變化溫度的測量；3)響應速度快，尤其是珠狀玻封熱敏電阻，其響應時間低于50 ms；4)具有很大的電阻值(kΩ級)，因此導線電阻及接觸電阻對測量的影響可忽略。該系統(tǒng)選用MF51型高精度熱敏電阻，溫漂為0．002℃／a。
系統(tǒng)硬件連接如圖3所示，基準電壓選用ISL21009BFB812Z，該芯片輸出1．250 V基準電壓，精度可達±0．5 mV，溫漂為3 ppm／℃，作為AD7799的參考電壓，同時其輸出電流達7 mA，可為測溫電橋的激勵源。測溫電橋中的3個電阻與熱敏電阻RT構成一個單臂電橋，熱敏電阻RT隨溫度的變化引起電橋的電位差發(fā)生變化。系統(tǒng)中R1、R2、R3均為7．5 kΩ(1／1000)25 ppm的標準精密金屬膜電阻，熱敏電阻阻值在3～15 kΩ變化(相當于溫度在40～-4℃范圍內的變化，此為海洋溫度范圍)形成-0．20～0．25 V的差分信號輸出。