用A/D转换器实现铂电阻温度计的非线性校正

　　0　引言

　　传感器的输出特性一般都是非线性的,其输出并不与输入严格成正比,通常它只能在两个点上与标定直线保持一致。通过零位调整与满度调整,只能在零点与满度点消除非线性误差,而在其余的点上都存在着非线性误差。在精密测控仪器的设计中必须对这种非线性误差进行必要的校正,以确保测量的精度。非线性的校正方法有多种,通过一些校正电路也都能够实现在三个点上与标定直线保持一致,可以有效地减小非线性误差的影响。但利用A/D变换器来进行非线性校正,不仅方法简便易行,而且效果明显,具有较好的实际应用价值。

　　1　A /D转换器反馈原理

　　数字显示式仪表中不仅需要有各种类型的传感器将被测的物理量转换成对应的电量,也还需要将模拟电量转换为数字量,因此也都离不开A/D转换电路。由于传感器的输出特性大多具有非线性特点,因此,即使A/D转换器是理想的线性转换器件,A/D转换后的数字量也还是存在非线性误差,这就影响了测量的精度。在测控仪器仪表的设计中若能巧妙地利用A/D转换器的正反馈或负反馈所具有的分式函数的非线性变换特性来进行非线性校正,就是一种简便而又行之有效的方法。以常用的ICL7107为例,其输出显示的数值N与输入电压Vi成正比,与基准电压Vref成反比,其比例系数为N1,在ICL7107中N1可以为1 000、100.0、10.00或1.000,小数点的位置完全是由人为设定的,即

　　式中:时的输出显示值,在不设定小数位的情况下为1 000。

　　只要输入电压Vi与基准电压V_ref相等,其输出显示就是1 000个脉冲计数值,通过小数点的人为设定,可以使读数与相应量程的单位相符合。在进行电压的测量中基准电压一般只能设定为V_ref=1V或100mV两种,这样显示的读数才能与电压的量值相一致,而在其它应用中,基准电压的选择相对就比较自由。例如在温度的测量中,当输入Vi=0V,则输出显示为0;而当输入电压与基准电压相等时,Vi=V_ref,输出显示为1 000,经人为设定一位小数后,显示为100.0,这一特点正好可以用于100℃温度点的调试。将温度传感器置于100℃沸水中,通过调整放大倍数进而改变Vi或者通过调整A/D转换器的基准电压V_ref,并使两者相等Vi=V_ref,这样两种方法都可以达到显示为100.0的目的。

　　如果将输入信号Vi的一部分通过分压后再反馈至基准电压Vref,如图1所示,则基准电压Vref将随被测电压Vi而发生变化,这时转换器输出显示为:

　　式中:Vref-取自输入信号Vi(t)的一部分,Vref-=αVi(t);α为电位器Rw的分压比; VH为一固定的基准电压。

　　这样就实现了A/D转换器的正反馈特性,其输出读数值将略为增加一点;同样也可以将输入信号的一部分反馈至参考电压输入端Vref+,以实现A/D转换器的负反馈特性,其输出读数值将略为减小一点,也就是说A/D转换器既可以实现正反馈特性也可以实现负反馈特性。显然,这时的模数转换器的输出具有了分式函数的非线性变换特性,其输出显示值N不再与输入电压Vi成正比关系。而这点恰好可以用于对传感器的非线性进行补偿。具有正反馈特性的A/D转换器可以用于有上凸特性的非线性校正;而具有负反馈特性的A/D转换器可以用于有下凸特性的非线性校正。这种校正的方法不仅电路简单、调整方便、应用灵活,而且校正的效果也是令人满意的。