專利名稱：一種溫度測量電路的制作方法
一種溫度測量電路
技術領域：
本發明涉及一種溫度測量電路，尤其涉及通過溫度傳感器將溫度信號
轉換為電信號、再對電信號進行A/D采樣、處理的溫度測量電路。背景技術：
在現代的很多產品中，都需要對溫度進行準確的測量。目前的溫度采 集方式有兩線制、三線制，單通道以及多通道溫度測量方式。其中，三線 制多通道溫度為比較新的溫度采集技術方案，專利號為03263202.9、發明 名稱為《一種熱電阻溫度測量電路》的中國專利公開了這種技術，其原理 示意圖如圖l所示。該方案采用單恒流源工作，Ul為電壓跟隨器，U2為2倍 放大器，利用運放"虛斷"原理，流經傳感器引線電阻r2的電流視為零， 所以r2上端電壓為零。
對刊l: &,。 二d+H + r3 + W。)x/ -----------------------------------------(1)
對于U2: K,2O=2x(r3 + i 0)x/ —--------------------------..............-(2)
其中/ ^=/ 。(1 + ^>^ + 5><。 ， A和B為系數。通常B很小，可以忽略不 計。所以WP,Ax(l + J>a)， A為電阻的系數，i 。為鉑電阻的0 。C電阻值。 該方案要求鉑電阻的兩端的三根引線要求其長度和材料都相同，以確保導 線電阻"1 ="="。
則對于U3:"歸-7 o"x,x/ ------------------------------------------(3)
實現了電壓隨溫度的變化而線性變化，利用A/D對電壓進行數據采樣，
就可以利用公式計算出溫度，實現對溫度的測量。
同時，通過在兩個運放的輸入端以及恒流源與傳感器的連線上增加模 擬開關，就可以實現多通道溫度測量。
但該溫度測量方案存在下面幾點不足
1. 傳感器的兩端引線要求材料和長度都一樣，從非電路設計的角度 消除線阻的影響，但在某些時候無法滿足材料和長度一樣，因此也就不能 消除線阻的影響。
2. 雖然能夠進行通道切換，但測試的對象比較單一，只能是同一種
傳感器，不適合多種傳感器測量要求。
3. 在進行多通道溫度測量的時候，需要對模擬開關進行切換，其理 想情況認為沒有被切換的通道為懸空，電流為零，然而實際上會有漏電流
的存在，該漏電流流經RO后，會直接影響U2輸入端的信號大小偶發性的
跳變，最終將導致在通道切換的過程中，同一通道的不同次測量數據將發
生跳變。
發明內容
本發明的主要目的就是為了解決現有技術的問題，提供一種溫度測量 電路，通過電路本身的設計，消除線電阻的影響。
本發明的次一目的就是提供一種溫度測量電路，可適用于多通道、多 種溫度傳感器的測量。
本發明的又一目的就是提供一種溫度測量電路，消除多通道溫度測量 時，懸空通道的漏電流對測量結果的影響。
為實現上述目的，本發明提出一種溫度測量電路，包括溫度傳感器電 路、恒流源和第一運算放大器，所述溫度傳感器電路為四線制，包括從溫 度傳感器的第一端引出的動力線正極、從溫度傳感器的第二端引出的動力 線負極和分別從溫度傳感器的第一、二端引出的傳感引線正極和傳感引線 負極，所述恒流源連接溫度傳感器電路的動力線正極，所述第一運算放大 器的正、負輸入端分別連接溫度傳感器電路的傳感引線正極和傳感引線負 極，輸出端輸出電壓-溫度曲線，所述溫度傳感器電路的動力線負極耦合到 地。
所述第一運算放大器為差動輸入。
所述溫度傳感器電路至少包括兩路，所述溫度測量電路還包括通道切 換裝置，所述通道切換裝置連接在溫度傳感器電路和恒流源、第一運算放 大器之間，用于使恒流源和第一運算放大器在各溫度傳感器電路之間切換。
所述通道切換裝置優選為模擬開關組。
所述至少兩路溫度傳感器電路中的其中一路為熱電阻傳感器電路，另 一路為熱敏電阻傳感器電路。
其中，所述熱敏電阻傳感器電路中的熱敏電阻為負溫度系數熱敏電 阻，所述熱敏電阻傳感器電路還包括用于將負溫度系數熱敏電阻傳感器的 溫度-電阻曲線進行線性處理的線性化電路和用于將負溫度系數熱敏電阻 傳感器的電氣特性和熱電阻傳感器的電氣特性進行歸一處理的歸一化電 路。 其中，所述線性化電路包括兩個串聯的第一電阻和第二電阻，所述線 性化電路與負溫度系數熱敏電阻傳感器并聯；所述歸一化電路包括第三電
阻，所述歸一化電路連接在負溫度系數熱敏電阻傳感器和溫度傳感器電路 的動力線負極之間。
本發明的進一步改進是還包括第二運算放大器、輸入電路和第三運 算放大器；所述輸入電路包括串聯的第四電阻和第二共模電阻，所述第四
電阻的另一端連接恒流源，所述第二共模電阻的另一端接地，所述第二運
算放大器的兩個輸入端分別連接在第四電阻的兩端；所述第三運算放大器 的正輸入端連接第一運算放大器的輸出，負輸入端連接第二運算放大器的 輸出，輸出端輸出電壓-溫度曲線。
本發明的更進一步改進是所述第四電阻的阻值等于熱電阻傳感器的 (TC的電阻值，所述溫度測量電路還包括第一共模電阻，所述第一共模電阻 連接在溫度傳感器電路的動力線負極和地之間，所述第一共模電阻的阻值 等于第二共模電阻的阻值。
本發明的更進一步改進是所述第一運算放大器和第二運算放大器的 增益相同。
本發明的有益效果
1、 本發明采用四線制，使第一運算放大器的正、負輸入端分別連接溫 度傳感器電路的傳感引線正極和傳感引線負極，利用運放"虛斷"原理， 傳感器傳感引線上的電流視為零，所以傳感引線上的線電阻兩端的電壓為 零，第一運算放大器的正、負輸入端的電壓只和溫度傳感器的阻抗和動力 線負極的線電阻有關，而第一運算放大器的輸出只和溫度傳感器的阻抗有 關，從而消除了溫度傳感器電路中的線電阻對輸出結果的影響。
2、 本發明通過對負溫度系數熱敏電阻傳感器的溫度-電阻曲線進行線 性處理和歸一化處理，使負溫度系數熱敏電阻傳感器和熱電阻傳感器可共 用同一電路參數，從而使同一溫度測量電路能過適用于多種溫度傳感器。 并且通過通道切換裝置，可實現溫度測量電路的分時復用，從而能夠對不 同電氣特性的傳感器同時進行溫度測量。
3、 將0"C參考電阻和多傳感器電路分別放置在不同的通道，并且使O
'c參考電阻單獨采用一個恒流源，有效分開了 o"c參考電阻和傳感通道的
電流，在進行多通道測量的切換時，消除了懸空通道的漏電流對輸出結果 的影響。
本發明的特征及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
圖1為現有技術中三線制多通道溫度測量電路的示意圖； 圖2為本發明溫度測量電路的結構框圖； 圖3為本發明一種實施例的溫度測量電路示意圖； 圖4為本發明NTC線性化電路示意圖； 圖5 (a)-圖5 (e)為NTC歸一化的電阻-溫度曲線圖； 圖6為本發明另一種實施例的溫度測量電路示意圖； 圖7為本發明的可多通道切換的溫度測量電路示意圖。
具體實施方式
本發明最佳實施例的溫度測量電路的方框圖如圖2所示，溫度測量電 路100包括溫度傳感器電路200、通道切換裝置3、運算放大器4和恒流源 7。整個溫度測量系統還包括A/D采集電路5和MCU 6。
溫度傳感器電路200可以包括多個通道，其中的溫度傳感器電阻將隨 溫度的變化而變化，通道切換裝置3用于實現多傳感器通道之間的切換， 恒流源7的電流將流過被切換的傳感器，將傳感器的電阻轉化為電壓量用 于測量，該電壓值將輸入到運算放大器4，實現傳感器微弱電壓信號的放 大處理，A/D采集電路5將對放大的電壓信號進行A/D采集，其采集后的 數據將輸入到MCU 6進行最后的數據處理。
本發明的一種實施例如圖3所示，以熱電阻傳感器(例如鉑電阻)為例 進行說明，其它溫度傳感器類似。將所有的溫度傳感器將放置于被測量環 境，通過導線連接到電路中，導線上存在線電阻，而鉑電阻的電阻隨溫度 的變化很小，當溫度變化O. 1°C，其電阻的變化為0.37Q，其導線電阻勢必 會影響鉑電阻測量的準確度，為了有效的消除導線上的引線電阻，溫度傳 感器電路200采用四線制連接方式，溫度傳感器電路200分別有四個連線端: 動力線正極ae、動力線負極fd、傳感引線正極be、傳感引線負極fc。恒流 源I的輸出電流流過ae、溫度傳感器PTIOOO、 fd，最后經第一共模電阻RT1 流入到地。電阻rO、電阻rl、電阻r2、電阻r3分別為各信號通道的線電阻。 第一共模電阻RT1用于提高第一運算放大器U1的共模輸入電壓。
PT1000的電阻為i p,=i 。x(1 + ^4x0 ，利用運算放大器"虛斷"原理， 傳感器傳感引線上電流將視為零，所以
第一運算放大器U1的輸入端電壓為
= W, x / + (/ pr + r3) x / —-—-...............------……一-——-----------(4)
J^,.—=/ ,x/ + ^3x/ ------------------------------.......--------------------(5)
第一運算放大器U1的輸出端電壓為正輸入端電壓減去負輸入端電壓 「(門。=&rx/xG:i ---------……------------------------------------.....(6)
其中，I為恒流源的電流，Gl為第一運算放大器U1的增益。從式(6) 中可看出，第一運算放大器U1的輸出結果是一個與溫度有關的量，與線電 阻r3無關，同時，r0、 rl、 r2也不會影響到測量結果，從而有效的消除 了所有線電阻對測量結果的影響。
第一運算放大器優選為差動輸入，以一種簡單的方式消除線電阻r3 的影響。同時，第一運算放大器的的差動輸入方式能夠有效的消除共模干 擾的影響。
通過通道切換裝置3可實現多通道溫度傳感器的切換，通道切換裝置 3連接在溫度傳感器電路200和恒流源I、第一運算放大器U1之間，在傳 感器動力線正極、傳感引線正極、傳感引線負極引入通道切換，使恒流源 I和第一運算放大器U1在多個溫度傳感器電路之間切換。通道切換裝置優 選為模擬開關組。
上述溫度測量電路適用于熱電阻傳感器，熱電阻材料要求溫度系數 大，電阻率高，物理化學性能穩定，工藝性好，理想的材料有鉑(Pt)、 銅(Cu)、鎳(Ni)。而熱敏電阻對溫度十分敏感，在溫度改變時內部電阻 值會產生大幅變化，所以無法和熱電阻傳感器共用同一測量電路。熱敏電 阻有正溫度系數、負溫度系數和臨界溫度系數的熱敏電阻。
在本發明的另一實施例中，為了使測量電路適用于多種溫度傳感器， 例如既適用于熱電阻傳感器，又適用于負溫度系數熱敏電阻(NTC)傳感器， 在包含負溫度系數熱敏電阻傳感器的熱敏電阻傳感器電路中增加線性化電 路和歸一化電路，分別對負溫度系數熱敏電阻傳感器的溫度-電阻曲線進行 線性處理和對負溫度系數熱敏電阻傳感器的電氣特性和熱電阻傳感器的電 氣特性進行歸一處理。如圖4左邊電路所示，線性化電路包括兩個串聯的 第一電阻Rl和第二電阻R2，串聯的第一電阻Rl和第二電阻R2與負溫度 系數熱敏電阻傳感器NTC并聯；歸一化電路包括第三電阻R3，第三電阻R3 連接在負溫度系數熱敏電阻傳感器NTC和溫度傳感器電路的動力線負極之 間。其中負溫度系數熱敏電阻傳感器NTC和第一電阻Rl的并聯節點C連接 恒流源I 。
負溫度系數熱敏電阻(NTC)傳感器的溫度一電阻曲線為非線性，且 電氣特性與熱電阻差異較大，圖5 (a)為NTC熱敏電阻的非線性化電阻一 溫度曲線圖，利用線性化電路對NTC的溫度一電阻曲線線性化處理，圖5 (b)為線性化后C、 D兩端電阻一溫度曲線圖，這樣就可以利用線性方程 計算NTC的溫度。圖5 (e)為鉑電阻的溫度一電阻曲線圖，可見圖5 (b)、 (e)曲線在溫度Ta和Tb之間的電阻變化范圍差異較大，為了便于在運放電
路部分對兩種傳感器共用同一電路參數，需要將&。的電氣特性等效處理 為PT1000的電氣特性，即同一溫度范圍內，NTC參與測量的電阻變化范 圍與鉑電阻變化范圍比較一致，實現NTC電氣特性與PT1000的歸一化處理。 如圖4所示在負溫度系數熱敏電阻上串聯第三電阻R3，將A、 B之間的 等效電阻作為測量對象引入測量通道，等效為圖4右邊的電路。電路中A、 D和A、 B兩端的電阻一溫度曲線分別如圖5 (c)、圖5 (d)所示。比較圖 5 (d)、圖5(e)，當溫度在Ta和Tb范圍時，兩圖的電阻變化范圍是一致 的，S口將/^等效為鉑電阻PT1000，
從而可使NTC熱敏電阻傳感器電路和熱電阻傳感器電路共用同一溫度 測量電路。
為提高后面A/D采集電路的分辨率，需要進一步增大表示溫度的電信 號的放大倍數，本發明的另一實施例通過增加第二運算放大器和第三運算 放大器對第一運算放大器的輸出結果進一步放大，同時消除了多通道切換 時未被切換的通道的漏電流的影響。
如圖6所示，在第二運算放大器U2的輸入端設計一輸入電路，輸入 電路包括串聯的第四電阻RO和第二共模電阻RT2，第四電阻RO的另一端 連接恒流源I，第二共模電阻RT2的另一端接地，第二運算放大器U2的兩 個輸入端分別連接在第四電阻R0的兩端；第四電阻R0等于溫度傳感器0 "C時的參考電阻值，第二共模電阻RT2用于提高第二運算放大器U2的共模 輸入電壓，第二共模電阻RT2與連接在溫度傳感器電路的動力線負極和地 之間第一共模電阻RT1阻值相等，RTl=RT2 = Rt，第四電阻RO接的恒流源 和傳感器通道接的恒流源可以是一個恒流源，電流相同，也可以是兩個獨 立的恒流源，如果是兩個獨立的恒流源，要求兩個恒流源的電流相等。第 三運算放大器U3的正輸入端連接第一運算放大器Ul的輸出，負輸入端連
接第二運算放大器U2的輸出，輸出端輸出電壓-溫度曲線。
本發明多通道切換如圖7所示。當模擬開關組選擇PT1時，RT1上將
流過的電流如下
其中，I為PT1上流過的恒流源電流，而"、和W為切換時其它傳感器 通道存在的漏電流，該漏電流會抬高第一共模電阻RT1的正端電勢，從而 抬高第一運算放大器U1的正負輸入端的電勢，但由于第一運算放大器U1 是采用差動輸入，能夠有效的避免漏電流在通道切換時帶來的影響。而傳 感器通道的漏電流不會經過第二共模電阻RT2，所以不會對第二運算放大 器U2帶來影響。從而，通道切換時的漏電流不會對系統的測量帶來影響。
當增加第二運算放大器U2和第三運算放大器U3后，對于第二運算放
大器U2，其正、負輸入端的電壓為
+ ---------------------------------------------——-—-(8)
^ ---------------------------------------------------------(9)
則第二運算放大器U2的輸出端的電壓為
&2。 = (L - D x G2 = A x / x G2 —…——-一一---------一一-(10)
G2為第二運算放大器U2的增益。 則第三運算放大器U3的輸出端的電壓為
「， = d — D x G3 = (d x / x Gl) - (& x / x G2)) x G3 ...........(11)
G3為第三運算放大器U3的增益。
由于PT1000的電阻/^-^x(l + ^xO'則:
y園=(/^"(( 1一( 2) + /^ Jx"/xGl)xG3 -------------------(12)
為了簡化公式(12)的計算，設定第一運算放大器的增益與第二運算 放大器的增益相同，即G1 = G2 = G，貝U:
F, =i 0x^x"/xGxG3 .......--------------------.......------------(13)
其中，/ 。為鉑金電阻ot:的電阻值，t為鉑金電阻的測量溫度，I為恒 流源的電流大小，A為鉑金電阻根據溫度計算電阻的常系數，G為第一運 算放大器和第二運算放大器的增益。
根據公式(13)可見，W。、 ^、 /、 G、 G3均為常數，第三運算放大 器U3的輸出電壓只隨溫度t的變化呈線性變化，其第三運算放大器U3的 輸出電壓可以通過A/D采集獲取。
MCU 6用于控制A/D采集電路5的數據采集，雖然在運放前端對輸入 信號進行了簡單的硬件濾波處理，然而，在A/D的輸入信號仍然會有噪聲 的存在，在MCU內部通過對采集的A/D數據進行數字濾波處理，以進一步 消除噪聲的影響。同時，通過軟件算法，計算出最后的溫度值，實現對溫 度的測量。
權利要求
1.一種溫度測量電路，包括溫度傳感器電路、恒流源和第一運算放大器，其特征在于所述溫度傳感器電路為四線制，包括從溫度傳感器的第一端引出的動力線正極、從溫度傳感器的第二端引出的動力線負極和分別從溫度傳感器的第一、二端引出的傳感引線正極和傳感引線負極，所述恒流源連接溫度傳感器電路的動力線正極，所述第一運算放大器的正、負輸入端分別連接溫度傳感器電路的傳感引線正極和傳感引線負極，輸出端輸出電壓-溫度曲線，所述溫度傳感器電路的動力線負極耦合到地。
2. 如權利要求1所述的溫度測量電路，其特征在于所述第一運算放大器 為差動輸入。
3. 如權利要求2所述的溫度測量電路，其特征在于所述溫度傳感器電路 至少包括兩路，所述溫度測量電路還包括通道切換裝置，所述通道切換裝 置連接在溫度傳感器電路和恒流源、第一運算放大器之間，用于使恒流源 和第一運算放大器在各溫度傳感器電路之間切換。
4. 如權利要求3所述的溫度測量電路，其特征在于所述通道切換裝置為 模擬開關組。
5. 如權利要求3所述的溫度測量電路，其特征在于所述至少兩路溫度傳 感器電路中的其中一路為熱電阻傳感器電路，另一路為熱敏電阻傳感器電 路。
6. 如權利要求5所述的溫度測量電路，其特征在于所述熱敏電阻傳感器 電路中的熱敏電阻為負溫度系數熱敏電阻，所述熱敏電阻傳感器電路還包 括用于將負溫度系數熱敏電阻傳感器的溫度-電阻曲線進行線性處理的線 性化電路和用于將負溫度系數熱敏電阻傳感器的電氣特性和熱電阻傳感 器的電氣特性進行歸一處理的歸一化電路。
7. 如權利要求6所述的溫度測量電路，其特征在于所述線性化電路包括 兩個串聯的第一電阻和第二電阻，所述線性化電路與負溫度系數熱敏電阻 傳感器并聯；所述歸一化電路包括第三電阻，所述歸一化電路連接在負溫度系數熱敏電阻傳感器和溫度傳感器電路的動力線負極之間。
8. 如權利要求1至7中任一項所述的溫度測量電路，其特征在于還包括 第二運算放大器、輸入電路和第三運算放大器；所述輸入電路包括串聯的 第四電阻和第二共模電阻，所述第四電阻的另一端連接恒流源，所述第二共模電阻的另一端接地，所述第二運算放大器的兩個輸入端分別連接在第 四電阻的兩端；所述第三運算放大器的正輸入端連接第一運算放大器的輸 出，負輸入端連接第二運算放大器的輸出，輸出端輸出電壓-溫度曲線。
9. 如權利要求8所述的溫度測量電路，其特征在于所述第四電阻的阻值 等于熱電阻傳感器的0 ℃的電阻值。
10. 如權利要求9所述的溫度測量電路，其特征在于所述溫度測量電 路還包括第一共模電阻，所述第一共模電阻連接在溫度傳感器電路的動力 線負極和地之間，所述第一共模電阻的阻值等于第二共模電阻的阻值。
11. 如權利要求8至10中任一項所述的溫度測量電路，其特征在于所 述第一運算放大器和第二運算放大器的增益相同。
全文摘要
本發明公開了一種溫度測量電路，包括溫度傳感器電路、恒流源和第一運算放大器，溫度傳感器電路為四線制，包括從溫度傳感器的第一端引出的動力線正極、從溫度傳感器的第二端引出的動力線負極和分別從溫度傳感器的第一、二端引出的傳感引線正極和傳感引線負極，恒流源連接溫度傳感器電路的動力線正極，第一運算放大器的正、負輸入端分別連接溫度傳感器電路的傳感引線正極和傳感引線負極，輸出端輸出電壓-溫度曲線，溫度傳感器電路的動力線負極耦合到地。本發明采用四線制，使第一運算放大器的正、負輸入端分別連接溫度傳感器電路的傳感引線正極和傳感引線負極，利用運放“虛斷”原理，消除了溫度傳感器電路中的線電阻對輸出結果的影響。
文檔編號G01K7/16GK101169341SQ200610063318
公開日2008年4月30日 申請日期2006年10月25日 優先權日2006年10月25日
發明者劉奇林, 禹 夏, 朱星才 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
