多通道石英晶体测温仪的设计与实现
发布时间：2017-09-01
1石英晶体测温原理与特点
在-200～200℃的温度范围内,石英晶体谐振器的温频特性[1]可表示为
式中f0是温度为t0时的谐振频率,Hz;f(t)是温度为t时的谐振频率,Hz;T(f)=1n! nff0 tn为晶体的n阶频温系数.为简单起见,取t0=0℃并将一阶、二阶、三阶频温系数用α,β,γ表示,则式(1)可
当晶体采用LC切割时,理论上可使高次项系数为零,于是有f(t)=f0×(1+αt)或Δf=f(t)-f0=Bt,这里B=df(t)/dt=f0×α为感温灵敏度,Hz/℃.可见只要测量Δf并按B值进行线性定标,即可实现温度测量.
石英晶体用于测温有着显著的优点.首先,它是频率型传感器,在电子测量中,频率和时间的测量易于实现高精度;与模拟式传感器系统比较,不需要进行模拟信号加工,也无需A/D转换,因而误差来源减少,抗干扰能力大大增强;其次,石英晶体的等效谐振回路品质因数极高,用其构成的谐振回路有很高的频率稳定度.以上两条,为实现用石英晶体测温奠定了有力的基础.常用的测温晶体的切型有LC切和Y切两种,其性能比较如表1.
2系统硬件设计
2.1技术指标
测温范围:0～80℃;通道数:8;分辨力:0.001℃;准确度:±0.05℃.
2.2系统硬件设计
系统设计应追求尽可能高的性能价格比,本系统硬件框图如图1.
主控器8031控制8253的工作方式将恒温晶振(标频f=10 Hz,日稳定度为1×10-8) 分频获得主闸门,同时控制数据选择器以选择标频或测温晶体谐振器(以下简称感温探头)的输出进入系统以实现自校或测试.任何时候,都是利用闸门关闭的下降沿向8031申请中断,通知CPU处理数据,现将部分电路简述如下.
2.2.1测温晶体选择与测温探头电路
如表1,为了降低成本,选用国产10 MHz、Y切测温晶体,其B≈900 Hz/℃,感温灵敏度较高,但非线性较大,对后者拟用软件进行修正.
测温探头电路框图如图2.主振电路元件要求温度特性稳定,并经老化筛选,晶体的激励电平要调整合适,晶体必须进行老化以减小漂移[3].处理后的老化率可达10-7/年.
2.2.2闸门电路与计数电路
在一定的感温灵敏度下,闸门宽度确定了测温分辨力.现要求数温转换因子K=1×103/℃,则计数闸门宽度T可由下式确定:T≥K/B=1×103/900=1.12 s,取T=1.2 s.利用恒温晶振、预分频器和8253的T0,T1工作在方式3与方式2,可获得所需要的闸门时间,改变预置数可灵活地改变闸门宽度.
计数电路由预计数器与定时器T0构成,预计数器为8位,以确保T0的计数频率低于CPU主振频率的1/24,取数申请由闸门后沿提出,INT0工作于边沿触发式.
2.2.3老化漂移修正
晶体老化引起的频率漂移会降低测温准确度,因此须定期进行校准,简捷的办法是在线修正零频,这可用串行E2PROM存储零频漂移值来解决.
2.2.4自校与WDT
为了提高仪器使用的可靠性,仪器设置了自校功能.开机时仪器处于自校位置,对标频进行计量.若仪器显示正确的自校数,则表明探头以外的全部电路工作正常.WDT则是利用8253中定时器/计数器T2和一个负沿触发的单稳电路来完成.T2工作在方式4,预置1.5 s的时间常数,利用方式4重新预置立即有效的特性,在程序正常工作时及时重写时间常数,否则在1.5 s以后系统自动重新复位.
3温频测试数据与误差处理
笔者用国产10 MHz的Y切晶体试制8支探头送计量部门检定,测试结果表明各阶频温系数与理论相符.限于篇幅,仅将1#、2#探头数据列于表2,表3.为了满足整机技术指标,有必要对误差来源作一简单分析.
晶体测温误差主要来源于测频误差、温-频特性的非线性误差、晶体老化漂移误差和运算误差,对于后者,由于采用四字节浮点运算,其影响可以忽略.测频误差为
以T=1.2 s,f=10 MHz,Δfs/fs=1×10-8代入式(3)得Δft=±0.84 Hz.所以,Δtf=Δft/K=±0.84×10-3℃.老化漂移影响Δtd通过定期校准限制在0.001℃.
对于温-频特性的非线性误差,采用最小二乘法二次曲线拟合,拟合后偏差如表中Δt1.由表可见,对1#探头在10℃附近仍超差,为此对其进行分段二次逼近,拟合后偏差如表2中Δt2.经过这样处理之后,各探头非线性误差的最大值为Δtmax=0.044℃,经以上处理,测温仪的总误差为Δt=Δt2f+Δt2d+Δt2l=0.046℃,满足整机技术要求。
4软件流程
软件流程如图3、图4所示.
5结束语
理论和实践证明,在0～80℃范围内,利用国产Y切晶体实现高分辨力、高准确度测温是可行的,采用本文提出的方案成本亦相当低廉.这对于那些温度变化比较缓慢、变化量十分微小的应用场合尤为适宜.
摘自：中国计量测控网
