CN103873022B - 一种无源热电阻传感器信号模拟电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器信号模拟范畴，涉及到一种热电阻传感器信号模拟电路。所述无源热电阻传感器信号模拟电路包括数/模转换芯片、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和拨档开关以及若干电容电阻。其中，拨档开关通过电压跟随电路与数/模转换芯片参考端相连，且数/模转换芯片的反馈端和输出端依次串接由运算放大器构成的滤波电路和比例放大电路。本发明输出的电阻信号具备真实电阻的物理特性，带负载能力强，不受后续电路干扰；此外，本发明能将数字量给定线性地转化成热电阻信号输出，输出连续、精度高且输出范围可通过拨档开关调节。

Description

一种无源热电阻传感器信号模拟电路

技术领域

本发明属于传感器信号模拟范畴，涉及到一种热电阻传感器信号模拟电路。

背景技术

目前热电阻传感器信号模拟主要有两种方法，第一种方法参见图1，电路由有限个电阻（R1、R2、…、Rn）串联而成，在每一个电阻上并联一个程控继电器开关（K1、K2、…、Kn）。当程控继电器开关闭合时，与之相对应的电阻处于短路状态，这样电路的输出电阻就为与处于断开状态的程控继电器相对应的电阻值之和。这种方法带来的缺点显而易见，输出的电阻值为离散的，精度太低，不能输出连续的满足分辨率要求的热电阻信号，且开关切换时有扰动。

另一种方法是采用有源的方式，利用精密运算放大器缓冲输入电压,并通过数/模转换器调整施加于标准电阻上电压与电流的比例,从而改变电阻值。通过内置的精密电阻测量电路测算了运放的失调电压,并用数/模转换器自动补偿失调电压,可取得高精度的可编程合成电阻。这种方法虽然输出的电阻值连续，但不具备真实电阻的物理特性，带负载能力弱，只要负载端电路有电流输入到精密电阻上，就会对该电路造成干扰。

发明内容

本发明的目的是：提出一种具备真实电阻物理特性的、输出能连续变化的热电阻传感器信号模拟电路。

本发明的技术方案是：一种无源热电阻传感器信号模拟电路，其包括数/模转换芯片、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和拨档开关以及若干电容电阻，其中，数/模转换芯片接地，其参考电压端连接到由运算放大器构成的电压跟随电路的输出端，其反馈端与由运算放大器构成的滤波电路的输出端相连，且数模转换芯片的输出与该滤波电路中的运算放大器负极相连；电压跟随电路里的运算放大器输出端与负极相连，该运算放大器的正极接拨档开关一端的各输入管脚；该拨档开关的另一端的各输出管脚接电阻后接地；所述滤波电路中的运算放大器的负极与输出端之间接有电容C13，其正极直接接地，且输出端接用于比例放大的第二运算放大器正极；该第二运算放大器负极一路经电阻R7后接地，另一路经电阻R5后接作为输出的负极，第二运算放大器输出端接作为输出的负极RL。

第一运算放大器的输出端以及正极均经电容后接地。

第二运算放大器的输出端依次接电阻R8和电容C14后接地。

该第二运算放大器负极与输出端之间连接有电容C12。

第三运算放大器的输出端与第二放大器正极之间连接有电阻R9。

本发明的优点是：本发明输出的电阻信号具备真实电阻的物理特性，带负载能力强，不受后续电路干扰；此外，本发明能将数字量给定线性地转化成热电阻信号输出，输出连续、精度高且输出范围可通过拨档开关调节。

附图说明

图1是一种现有技术热电阻传感器信号模拟电路的示意图，

图2是本发明无源热电阻传感器信号模拟电路的电路图，

其中，数/模转换芯片1、第一运算放大器2、拨档开关3、第二运算放大器4、第三运算放大器5。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明：

参见图2，其是本发明无源热电阻传感器信号模拟电路的电路图。所述无源热电阻传感器信号模拟电路包括数/模转换芯片1、第一运算放大器2、第二运算放大器4、第三运算放大器5和拨档开关3以及若干电容电阻。其中，数/模转换芯片1接地，其参考电压端连接到由运算放大器构成的电压跟随电路的输出端，其反馈电阻端（RFB）与由运算放大器构成的滤波电路的输出端相连，且数模转换芯片的输出与该滤波电路中的运算放大器负极相连。电压跟随电路里的运算放大器输出端与负极相连，且经电容接地，该运算放大器的正极一路经电容接地，一路接拨档开关3一端的各输入管脚。该拨档开关3的另一端的各输出管脚接电阻后接地。滤波电路中的运算放大器的负极与输出端之间接有电容，其正极直接接地，且输出端经电阻R9后接用于比例放大的第二运算放大器正极。该第二运算放大器负极一路经电阻R7后接地，另一路经电阻R5后接作为输出的负极，且该第二运算放大器负极与输出端之间连接有电容C12。该第二运算放大器输出端经电阻R8后接作为输出的负极，并经电容C14接地。

在实际应用中，图2中的RH端作为输出的正极，RL端作为输出的负极。RH端通过运算放大器2组成的电压跟随器连接到数/模转换芯片1的参考电压输入端，也就是说RH端的电压V_RH与数/模转换芯片1的参考电压输入端的电压V_REF相等，即：

V_RH＝V_REF （1）

数/模转换芯片1的作用是将上位机的数字量给定输出为模拟电压，运算放大器5为一滤波电路，为该芯片的标准外围电路。根据数/模转换芯片1的输出电压V_OUT计算公式可得：

$V_{\mathrm{OUT}}=-\frac{\mathrm{CODE}}{32767}{V}_{\mathrm{REF}}---\left(2\right)$

其中CODE的值为上位机数字量给定，范围为0≤CODE≤32767。

运算放大器4构成的电路的主要作用是同相比例放大，将V_OUT信号放大2.5倍，输出端RL的电压V_RL为：

V_RL＝2.5V_OUT （3）

输出热电阻信号

$R_{\mathrm{OUT}}=\frac{V_{\mathrm{RH}}-V_{\mathrm{RL}}}{I}---\left(4\right)$

将式(1)、式（2）、式（3）代入式（4），可得

$R_{\mathrm{OUT}}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{I}(1+2.5\frac{\mathrm{CODE}}{32767})---\left(5\right)$

令 $R_{\mathrm{REF}}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{I},$ 则R_OUT可化为：

$R_{\mathrm{OUT}}=R_{\mathrm{REF}}(1+2.5\frac{\mathrm{CODE}}{32767})---\left(6\right)$

根据图2电路的特性，R_REF即为拨档开关3所选择的标准电阻值,在图2中为R₁₀或R₁₁，其阻值设为R₀,则输出电阻范围为

R₀≤R_OUT≤3.5R₀ （7）

式（7）中，拨档开关3选择不同的标准电阻可改变R₀的值，调整图2中R₇和R₅的值，可改变系数3.5的值。

从上述的推导原理上看，该电路因为不受后续电路的电流影响，在电路中相当于一真实的电阻而存在，所以具备真实电阻的物理特性。用户可根据需要调整热电阻的输出范围，在此输出范围内可通过数字量给定输出满足分辨率要求的热电阻值，即认为是连续的。

本发明的一个实施例，数/模转换芯片1通过一块隔离芯片连接到单片机上，单片机通过Ethercat总线连接到上位机软件，上位机软件输出数字量给定，本发明接收到单片机的数字量给定后输出相应的热电阻信号。

该实施例中各元器件所采取的芯片、电阻、电容参数如表1所示。

表1器件参数表

器件名称	型号参数
		数模转换芯片	DAC8811ICDGKT
第一运算放大器2	AD8682AR
		第二运算放大器4	AD8512AR
第三运算放大器5	AD8682AR
		C13、C12	100PF
C10、C11	0.1uF
		R7	10K
R5	15K
		R9	7.5K
R10	200欧姆（精度1%）
		R11	100欧姆（精度1%）

选用上表所述参数的器件构建本发明电路，当拨档开关选择R10时，热电阻输出范围是100欧到350欧，分辨率为（350-100）/32767欧；当拨档开关选择R11时，热电阻输出范围是200欧到700欧，分辨率为（700-200）/32767欧。

Claims (5)

1.一种无源热电阻传感器信号模拟电路，其特征在于，包括数/模转换芯片、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和拨档开关以及若干电容电阻，其中，数/模转换芯片接地，其参考电压端连接到由第一运算放大器构成的电压跟随电路的输出端，其反馈端与由第三运算放大器构成的滤波电路的输出端相连，且数模转换芯片的输出与该滤波电路中的第三运算放大器负极相连；电压跟随电路里的第一运算放大器输出端与负极相连，该第一运算放大器的正极接拨档开关一端的各输入管脚；该拨档开关的另一端的各输出管脚接电阻后接地；所述滤波电路中的第三运算放大器的负极与输出端之间接有电容C13，其正极直接接地，且输出端接用于比例放大的第二运算放大器正极；该第二运算放大器负极一路经电阻R7后接地，另一路经电阻R5后接作为输出的负极RL，第二运算放大器输出端接作为输出的负极RL。

2.根据权利要求1所述的无源热电阻传感器信号模拟电路，其特征在于，第一运算放大器的输出端以及正极均经电容后接地。

3.根据权利要求2所述的无源热电阻传感器信号模拟电路，其特征在于，第二运算放大器的输出端依次接电阻R8和电容C14后接地。

4.根据权利要求3所述的无源热电阻传感器信号模拟电路，其特征在于，该第二运算放大器负极与输出端之间连接有电容C12。

5.根据权利要求4所述的无源热电阻传感器信号模拟电路，其特征在于，第三运算放大器的输出端与第二放大器正极之间连接有电阻R9。