CN103017941B - 热电阻模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热电阻模拟装置，包括：接收单元、转换单元、输出单元，该装置采用接收单元接收激励电流和温度信号，经过转换单元将电流转换为与温度信号成正比的输出电压，通过输出单元将输出电压进行输出，当激励电流一定时，随着输入温度信号的上升，输出电压也不断增大，输入电流一定，输出电压不断增大，以此来模拟热电阻随着温度的上升阻值逐渐增大的电气特性，避免了采用旋钮等含有接触电阻的部件，从而没有接触电阻的引入，因此使得模拟热电阻装置的输出阻值即为真实热电阻的阻值，进一步解决了热电阻模拟装置输出阻值与实际热电阻阻值不一致的问题。

Description

热电阻模拟装置

技术领域

本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种热电阻模拟装置。

背景技术

热电阻是一种工业环境中广泛使用的温度传感器，具有稳定可靠，测温范围广，测量精度高等特点。随着电阻技术的不断进步，对热电阻测量电路精度的要求也将不断提高。

目前有一种热电阻模拟装置，该装置为对传统的利用电阻箱和滑动变阻器进行热电阻模拟方法的改进，该装置利用变阻箱的原理，在该热电阻模拟装置上设置旋钮，并将该热电阻模拟装置内的电阻丝进行分段与旋钮的触点相连接，并依据热电阻的电阻值与温度的对应关系，以温度为标定单位在旋钮旁对不同段输出的电阻值进行标定。当该热电阻模拟装置接入检测电路中时，依据当前确定所需的热电阻的温度范围，旋转热电阻模拟装置上的旋钮，依据标定温度，输出对应的电阻值并接入到当前的电路中。

由于现有技术中实现热电阻的装置中含有旋钮，旋钮本身存在接触电阻，而且随着装置的使用，旋钮会产生的磨损，旋钮的接触电阻也会随之发生改变，因此在使用该装置模拟现实热电阻时，当温度一定时，该装置输出电阻为热电阻电阻阻值加接触电阻阻值，而现实真实应该输出的电阻为热电阻电阻，导致该装置的输出阻值与现实中热电阻的阻值不一致。

发明内容

本发明中提供了一种热电阻模拟装置，该装置避免了采用旋钮等引入接触电阻的部件而导致热电阻模拟装置输出阻值与实际热电阻阻值不一致的问题。

一种热电阻模拟装置，包括：

接收单元，用于接收预设的温度信号，以及所述热电阻模拟装置接入的检测电路输出的激励电流；

转换单元，用于将所述激励电流转换为与所述预设的温度信号成正比的输出电压；

输出单元，用于输出所述输出电压。

优选的，所述转换单元包括：

第一转换单元，用于将所述激励电流转换至参考电压；

第二转换单元，用于将所述预设的温度信号转换为与所述预设的温度信号相关的控制量；

控制单元，用于利用所述控制量控制所述参考电压至所述输出电压的电压输出。

优选的，所述第一转换单元包括：

电流转电压单元，用于将所述激励电流转换为电压信号；

放大单元，用于将所述电压信号放大至所述参考电压。

优选的，所述第二转换单元包括：

计算单元，用于利用所述温度信号得到实际要接入检测电路的阻值，依据所述阻值计算所述控制量。

优选的，所述电流转电压单元包括：

第一运算放大器；

所述第一运算放大器的同相输入端与所述接收单元相连，用于接收所述激励电流；

所述第一运算放大器的同相输入端经第一电阻接地；

所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端相连；

所述第一运算放大器的输出端输出所述电压信号。

优选的，所述放大单元包括：

第二运算放大器；

所述第二运算放大器的反相输入端经第二电阻与所述第一运算放大器的输出端相连，并接收所述电压信号；

所述第二运算放大器的反相输入端经第三电阻与所述第二运算放大器的输出端相连；

所述第二运算放大器的同相输入端经第四电阻接地；

所述第二运算放大器的输出端输出所述参考电压。

优选的，所述控制单元包括：

数模转换器；

所述数模转换器的VREF引脚与所述第二运算放大器的输出端相连，用于接收所述参考电压；

所述数模转换器的RFB引脚经过电容与所述数模转换器的输出端相连；所述数模转换器的输入端接收所述控制量；

所述数模转换器的输出端输出所述输出电压。

优选的，所述装置，还包括：

滤波单元，用于对所述输出电压进行滤波处理。

优选的，所述滤波单元包括：

第三运算放大器，所述第三运算放大器的输入端与所述输出单元的输出端相连，用于接收所述输出电压；

所述第三运算放大器的输出端输出经去噪处理后的所述输出电压。

本发明通过上述技术手段，得到以下有益效果：

本发明提供了一种热电阻模拟装置，采用该装置接收激励电流和温度信号，经过转换单元将激励电流转换为与温度信号成正比的输出电压，通过输出单元将输出电压进行输出，当电流一定时，随着输入温度信号的上升，输出电压也不断增大，输入电流一定，输出电压不断增大，由欧姆定律可知热电阻的阻值不断增大，以此来模拟热电阻随着温度的上升阻值逐渐增大的电气特性。避免采用旋钮等含有接触电阻的部件在接入模拟热电阻时引入接触电阻的影响，实现使接入检测电路的模拟热电阻的阻值与实际热电阻阻值一致的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的热电阻模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的又一热电阻模拟装置的结构示意图；

图3为本发明实施例公开的热电阻模拟装置中第一转换单元的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的热电阻模拟装置中电流转电压单元的结构图；

图5为本发明实施例公开的热电阻模拟装置中放大单元的结构图；

图6为本发明实施例公开的热电阻模拟装置中控制单元的结构图；

图7为本发明实施例公开的热电阻模拟装置中第二转换单元的结构示意图；

图8为本发明实施例公开的又一热电阻模拟装置的结构示意图；

图9为本发明实施例公开的热电阻模拟装置中滤波单元的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为一种热电阻模拟装置，用于模拟热电阻随着环境中温度升高，输出阻值不断升高的电气特性，热电阻模拟装置工作时，需要外部检测电路对其施加电流激励，在激励电流作用下输出一输出电压，并采样所述输出电压，以计算热电阻的电阻阻值。具体的，用户设定环境温度后，热电阻模拟电路在激励电流作用下表现出对应温度下的电阻阻值。

如图1所示，为本发明一种热电阻模拟装置第一实施例，包括：

接收单元100，用于接收预设的温度信号，以及所述热电阻模拟装置接入的检测电路输出的激励电流；

转换单元200，用于将所述激励电流转换为与所述预设的温度信号成正比的输出电压；

输出单元300，用于输出所述输出电压。

用户将想要模拟的温度值通过总线或者键盘等输入设备输入至本装置，其中总线可为串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）总线或控制器局域网络(Controller Area Network，CAN)总线。接收单元接收用户输入温度值，并将该温度值作为温度信号输入转换单元，转换单元利用单片机、数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP）或现场可编程门阵列（Field ProgrammableGate Array，FPGA）等逻辑处理单元将用户的输入的温度值转换为本装置所能够识别的数字信号，并将该数字信号作为后续使用的温度信号。

接收单元还用于接收检测电路的输出的激励电流，并将所述激励电流输入转换单元，转换单元一方面将所述激励电流转换为电压信号，另一方面将温度信号转换为与热电阻阻值相对应的控制量，利用控制量将电压信号转换为与所述温度信号成正比的输出电压，并采用输出单元将所述输出电压进行输出。

本发明采用该装置接收激励电流和温度信号，经过转换单元将电流转换为与温度信号成正比的输出电压，通过输出单元将输出电压进行输出，当电流一定时，随着输入的温度信号的上升，输出电压也不断增大，输入电流一定，输出电压不断增大，可知热电阻的阻值不断增大，以此来模拟热电阻随着温度的上升阻值逐渐增大的电气特性，避免了采用旋钮等含有接触电阻的部件，从而使得没有接触电阻的引入，因此使得模拟热电阻装置的输出阻值即为真实热电阻的阻值，进一步解决了与实际热电阻阻值偏差较大的问题。

下面将详细介绍本发明的实现过程。

如图2所示，本装置中转换单元200的结构示意图。

所述转换单元200包括：

第一转换单元201，用于将所述激励电流I转换至参考电压U2；如图3所示，第一转换单元包括：电流转电压单元2011，用于将所述激励电流I转换为电压信号U1；放大单元2012，用于将所述电压信号U1放大至所述参考电压U2。其中，激励电流采用字母I表示，参考电压采用字母U2表示，电压信号采用字母U1表示。

如图4所示，为本装置电流转电压单元的电路图，下面将详细介绍电流转电压单元的实现过程。

本装置中电流转电压单元采用第一运算放大器实现，利用第一运算放大器将激励电流I转换为电压信号U1，具体的电路结构为：所述第一运算放大器的同相输入端与所述接收单元相连，用于接收所述激励电流I；所述第一运算放大器的同相输入端经第一电阻接地；所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的输出端输出所述电压信号U1。

本装置中所使用的运算放大器的型号为OPA277，其他型号的运算放大器也可实现本发明，例如：OP1177，LMP2022。

具体的，如图4所示，为了使运算放大器实现电流转换电压的功能，本发明使用运算放大器时，将运算放大器的1、5和8脚悬空，采用4脚接-15V电压、7脚接+15V电压为第一运算放大器供电，将运算放大器的反相输入端（2脚）与运算放大器的输出端（6脚）相连，通过运算放大器同相输入端（3脚）接收激励电流I，以便于输出的电压信号U1与激励电流I为同相信号，在同相输入端采用第一电阻R0接地，第一电阻即采样电阻，通过采样电阻R0对激励电流I进行采样，实现将激励电流I转换为电压信号U1，并通过输出端输出电压信号U1。

具体的，设激励电流大小为I，采样电阻为R0，第一运算放大器的输出的电压信号为U1，该U1的获取过程可以表示为：

U1=I*R0………………公式（1）

本装置通过第一运算放大器的同相输入端接收激励电流I，通过采样电阻R0对激励电流进行采样，并依据欧姆定律计算得到转换后的电压信号U1，激励电流I在运算放大器的同相输入端输入，使得在输出端输出的电压信号与激励电流为同相信号，并通过输出端输出电压信号，以此达到将激励电流转换为电压信号的目的。

如图5所示，为第一转换单元201中放大单元2012的电路图，下面将详细介绍放大单元的实现过程。

所述放大单元2012包括：第二运算放大器；第二运算放大器的电路连接为：所述第二运算放大器的反相输入端经第二电阻与所述第一运算放大器的输出端相连，用于接收所述电压信号；所述第二运算放大器的反相输入端经第三电阻与所述第二运算放大器的输出端相连；所述第二运算放大器的同相输入端经第四电阻接地。

第二运算放大器同样为OPA277型号，为了使运算放大器实现放大功能，如图5所示，本装置中将运算放大器的1、5和8脚悬空，采用4脚接-15V电压、7脚接+15V电压为第二运算放大器供电，采用第二电阻R3与第二运算放大器的反相输入端相连，接收电压信号U1，同时采用第三电阻R1与运算放大器的输出端相连，同相输入端经第四电阻R7接地，运算放大器的输出端（6脚）输出参考电压U2；设采用该运算放大器的放大倍数K，则K=R1/R3，因电压信号U1经反相输入端进入第二运算放大器，实现反相放大，即第二输出端的参考电压U2与输入端的电压信号U1为反相，导致参考电压U2实际的放大倍数为K1：

K1=-K=-R1/R3………………公式（2）

例：若第二电阻和第三电阻分别为R3=1KΩ，R1=20KΩ，则利用公式（2）可得放大倍数K1=-20。

第一运算放大器将激励电流I转换为电压信号U1，将该电压信号U1作为第二运算放大器的输入电压，经过第二运算放大器后，输出电压为U2，该U2的获取过程可以表示为：

U2=K1*U1………………公式（3）

本装置通过第二运算放大器接收电压信号U1，并将电压信号U1放大至参考电压U2，实现将电压信号U1放大的作用，并通过运算放大器的输出端输出参考电压U2。

本装置在激励电流I一定的前提下，随着温度信号t的升高输出电压U3也不断升高，以此模拟热电阻随着温度的升高电阻不断升高的电气特性，本装置中，当模拟热电阻的温度t升高至最大时，输出电压U3也为最大，输出电压U3有一个最大值，本装置将输出电压的最大值作为参考电压U2。

如图2所示，本装置包括第二转换单元202，用于将所述预设的温度信号t转换为与所述预设的温度信号t成正比的控制量D；

获取控制量D的具体过程在下文进行详细描述。

如图2所示，本装置包括控制单元203，用于利用所述控制量D控制所述参考电压U2至所述输出电压U3的电压输出，所述控制单元包括：数模转换器；所述数模转换器的VREF引脚与所述第二运算放大器的输出端相连，用于接收所述参考电压；所述数模转换器的RFB引脚经过第一电容与所述数模转换器的输出端相连；所述数模转换器的输入端接收所述控制量D。

一般来说数模转换器的位数越多，其分辨率越高，现实中可使用的数模转换器有8、10、12、16位，本发明为了使温度的分辨率最高，采用TI公司的DAC8811，该数模转换器可达到16bit分辨率，即可实现1/65536的分辨率。

为了实现控制量D控制参考电压U2至输出电压U3的中间输出的作用，本发明利用数模转换器实现控制量D与参考电压之间的乘法运算，具体的，数模转换器的电路关系如图6所示，引脚1为数模转换器的时钟，外接时钟电路输出的时钟信号（CLK），引脚2（SDI）为数模转换器的数据输入引脚，采用该引脚接收控制量D，引脚3（RFB）为反馈信号输入端，引脚3通过一电容C1与数模转换器的引脚5（即输出端）相连，引脚4（VREF）为基准电压输入端，与第二运算放大器的输出端相连，接收第二运算放大器的输出的参考电压U2，引脚6接地，引脚7接+5V电源，为数模转换器供电，引脚5为数模转换器的输出端，用于输出输出电压U3，引脚8为数模转换器的片选引脚，低电平有效，在引脚8接收的信号为低电平时，数模转换器才能工作在正常的状态，实现对控制量D与参考电压U2的乘法运算。

通过数模转换器实现对控制量D与参考电压U2的乘法运算，得到数模转换器输出的电压U3：

U3=-VFRF*D/65536………………公式（4）

VREF可作为输入至数模转换器的基准电压，第二输出端输出的电压U2输入VREF，因此可知VREF与U2大小一致。

VREF=U2………………公式（4）

利用公式（1）、（2）、（3）、（4）可得U3：

U3=-K*I*R0*D/65536………………公式（5）

该装置的输入端口的电压可看做U1，输出端口的电压为U3，所以该装置电路两端口之间的电压差为U：

U=U1-U3………………公式（6）

利用公式（1）、（5）可得U：

U=I*R0*(1+K*D/65536)………………公式（7）

热电阻的阻值Rt，利用公式（7）可与欧姆定律R=U/I可得：

Rt=U/I=R0*(1+K*D/65536)………………公式（8）

控制量D取值范围在0到65535之间，当控制量D取最小值时，即D=0时，代入公式（8）中，得Rt=R0，当D取最大值时，即D=65536时，代入公式（8）中，Rt=R0*(1+K)，因此该装置可模拟的热电阻阻值范围为R0~R0*(1+K)。

以PT100热电阻为例，使用本发明对PT100进行热电阻模拟，PT100能够使用的温度范围为-200℃~850℃，自身阻值约在18.4Ω到390.5Ω之间变化，因此仿真PT100热电阻时，需要电路仿真的阻值能覆盖上述范围，则选取R0为20Ω，放大倍数为K=20，因热电阻阻值范围为R0~R0*(1+K)，所以电路能仿真的热电阻阻值范围在20Ω~420Ω。PT100热电阻在环境温度变化1℃后，自身电阻约改变390mΩ，本模拟电路理论，随着控制量D的变化，最小可实现的电阻仿真分辨率为6.1mΩ，约对应热电阻环境温度变化0.016℃，因此本装置可实现较高的热电阻仿真精度。

对于PT500、PT1000等其他热电阻类型，只需更换R0数值，即可实现仿真。

如图7所示，为本装置中第二转换单元202的实现过程。

所述第二转换单元202包括：

计算单元2021，用于利用所述温度信号t得到实际要接入检测电路的阻值，依据所述阻值计算所述控制量。

计算单元分为第一计算单元，第二计算单元。

第一计算单元，用于当所述预设的温度信号大于0℃，采用公式（9）计算热电阻阻值Rt，其计算公式如下：

Rt=R*(1+A*t+B*t²)………………公式（9）

将Rt=U/I=R0*(1+K*D/65536)公式（8）与公式（9）联立，得R*(1+A*t+B*t²)=R0*(1+K*D/65536)，并将温度信号t代入其中，即求得环境温度为t℃时，控制量D的取值。

第二计算单元，用于当所述预设的温度信号小于0℃，采用公式（10）计算热电阻阻值Rt，其计算公式如下：。

Rt=R*(1+A*t+B*t²+C*(t-100)*t³)………………公式（10）

将Rt=U/I=R0*(1+K*D/65536)公式（8）与公式（10）联立，得R*(1+A*t+B*t²+C*(t-100)*t³)=R0*(1+K*D/65536)，并将温度信号t代入其中，即可求得环境温度为t℃时，控制量D的取值。

其中公式（9）（10）中，各字母代表的含义为：

Rt为热电阻阻值，

R为真实热电阻在零摄氏度时的阻值，

t为用户输入的温度，

A=3.9083E-3，

B=-5.775E-7，

C=-4.83E-12。

以PT100热电阻的阻值为例，设用户输入温度为t℃，

当t>0时，PT100热电阻阻值可通过公式（9）计算获得；

Rt=R100*(1+A*t+B*t²)………………公式（9）

将公式（8）与公式（9）联立，并将t代入其中，即求得环境温度为t℃时，控制量D的取值。

当t<0时，PT100热电阻阻值可通过公式（10）计算获得；

Rt=R100*(1+A*t+B*t²+C*(t-100)*t³)………………公式（10）

将公式（8）与公式（10）联立，并将t代入其中，即可求得环境温度为t℃时，控制量D的取值。

对于PT500、PT1000等其他热电阻类型，只需更换R100数值即可实现仿真。

如图8所示，为本装置又一实施例的结构示意图。

本装置还包括：滤波单元400，用于对所述输出电压U3进行滤波处理，所述滤波单元400包括第三运算放大器。

如图9所示，为滤波单元的电路连接，电路的输入端为输出单元输出的输出电压U3，并将滤波单元的输出作为本装置的输出电压U3，经过该滤波电路构成二阶低通电路，可以实现滤波的截止频率为10Hz，同时可以实现的放大倍数是-1倍，因为真实环境中温度信号的变化通常都是较为缓慢的，所以滤波器截止频率不需很大。滤波单元可滤除该装置中接收单元中引入的噪声、该装置内部电路自身工作噪声和环境噪声干扰，使得输出更加精确。

以上是本发明实现热电阻模拟装置的实现过程，本发明采用该装置接收激励电流和温度信号，经过转换单元将电流转换为与温度信号成正比的输出电压，通过输出单元将输出电压进行输出，当电流一定时，随着输入的温度信号的上升，输出电压也不断增大，输入电流一定，输出电压不断增大，可知热电阻的阻值不断增大，以此来模拟热电阻随着温度的上升阻值逐渐增大的电气特性，避免了采用旋钮等含有接触电阻的部件，从而使得没有接触电阻的引入，因此使得模拟热电阻装置的输出阻值即为真实热电阻的阻值，进一步解决了使用该装置对进行其他测量时偏差较大的问题，该装置具有以下优点：

1、不存在旋钮等引入接触电阻的部件；

发明完全由电子电路实现，可靠性高，没有机械磨损，同时，不会因机械磨损导致仿真结果随时间改变。

2、本装置便于和上位机连接实现仿真过程自动化；

装置使用时，可将本装置入检测电路，当装置连入检测电路后，可通过上位机对本装置进行控制，从而不需要手工操作，装置可在上位机控制下实现仿真温度的连续变化。

3、仿真精度高；

如上述实施例中所述，装置对PT100可实现0.016℃的温度仿真分辨率，而实用的PT100采样电路通常只能达到0.1℃分辨率，本发明所述仿真电路对温度仿真结果精度可比常用的温度采集电路更高，可用于对温度采集电路的精密校准。

4、仿真温度范围可覆盖PT热电阻常用的温度范围，装置可在热电阻常规使用中可能涉及的整个温度范围内精确仿真出热电阻的对外阻值变化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种热电阻模拟装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收预设的温度信号，以及所述热电阻模拟装置接入的检测电路输出的激励电流；

转换单元，用于将所述激励电流转换为与所述预设的温度信号成正比的输出电压；

输出单元，用于输出所述输出电压；

所述转换单元包括：

第一转换单元，用于将所述激励电流转换至参考电压；

第二转换单元，用于将所述预设的温度信号转换为与所述预设的温度信号相关的控制量；

控制单元，用于利用所述控制量将所述参考电压转变为所述输出电压。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一转换单元包括：

电流转电压单元，用于将所述激励电流转换为电压信号；

放大单元，用于将所述电压信号放大至所述参考电压。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二转换单元包括：

计算单元，用于利用所述温度信号得到实际要接入检测电路的阻值，依据所述阻值计算所述控制量。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电流转电压单元包括：

第一运算放大器；

所述第一运算放大器的同相输入端与所述接收单元相连，用于接收所述激励电流；

所述第一运算放大器的同相输入端经第一电阻接地；

所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端相连；

所述第一运算放大器的输出端输出所述电压信号。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述放大单元包括：

第二运算放大器；

所述第二运算放大器的反相输入端经第二电阻与所述第一运算放大器的输出端相连，并接收所述电压信号；

所述第二运算放大器的反相输入端经第三电阻与所述第二运算放大器的输出端相连；

所述第二运算放大器的同相输入端经第四电阻接地；

所述第二运算放大器的输出端输出所述参考电压。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括：

数模转换器；

所述数模转换器的VREF引脚与所述第二运算放大器的输出端相连，用于接收所述参考电压；

所述数模转换器的RFB引脚经过电容与所述数模转换器的输出端相连；

所述数模转换器的输入端接收所述控制量；

所述数模转换器的输出端输出所述输出电压；

所述数模转换器为乘法数模转换器。

7.如权利要求1、2或6所述的装置，其特征在于，还包括：

滤波单元，用于对所述输出电压进行滤波处理。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述滤波单元包括：

第三运算放大器，所述第三运算放大器的输入端与所述输出单元的输出端相连，用于接收所述输出电压；

所述第三运算放大器的输出端输出经去噪处理后的所述输出电压。