通道热电阻输入板卡的测量与断线检测电路设计

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：8通道热电阻测量与自检电路如图11-29所示。因此，热电阻的接法、恒流源电路及自检电路的设计是整个测量电路最重要的组成部分，这些电路设计的优劣直接关系到测量结果的精度。图11-29 8通道热电阻测量与自检电路由图11-29可知，当电路处于测量状态时，自检电路无效，热电阻信号接入测量电路。

8通道热电阻测量与自检电路如图11-29所示。

在图11-29中，ADS1213采用SPI总线与ARM微控制器交换信息。利用ARM微控制器的GPIO口向ADS1213发送启动操作命令字。在ADS1213内部将经过PGA放大后进行模数转换，转换后的数字量再由ARM微控制器发出读操作命令字，读取转换结果。

为提高板卡运行的可靠性，设计了对输入信号的断线检测电路；在该板卡中，要实现温度的精确测量，一个关键的因素就是要尽量消除导线电阻引起的误差；ADS1213内部没有恒流源，需要设计一个稳定的恒流源电路实现电阻到电压信号的变换；为了满足DCS系统整体稳定性及智能性的要求，需要设计自检电路，能够及时判断输入的测量信号有无断线情况。因此，热电阻的接法、恒流源电路及自检电路的设计是整个测量电路最重要的组成部分，这些电路设计的优劣直接关系到测量结果的精度。

热电阻测量采用三线制接法，能够有效地消除导线过长而引起的误差；恒流源电路中，运算放大器U4的同相端接ADS1213产生的＋2.5V参考电压，输出驱动MOS管VT₁，从而产生2.5mA的恒流；自检电路使能时，信号无法通过模拟开关进入测量电路，测量电路处于自检状态，当检测到无断线情况，电路正常时，自检电路无效，信号接入测量电路，2.5mA的恒流流过热电阻产生电压信号，然后送入ADS1213进行转换，转换结果通过SPI串行接口送到ARM微控制器。

热电阻作为温度传感器，它随温度变化而引起的变化值较小，因此，在传感器与测量电路之间的导线过长会引起较大的测量误差。在实际应用中，热电阻与测量仪表或板卡之间采用两线、三线或四线制的接线方式。在该板卡设计中，热电阻采用三线制接法，并通过两级运算放大器处理，从而有效地消除了导线过长引起的误差。

图11-29 8通道热电阻测量与自检电路

由图11-29可知，当电路处于测量状态时，自检电路无效，热电阻信号接入测量电路。

假设三根连接导线的电阻相同，阻值为R，R_T为热电阻的阻值，恒流源电路的电流I＝2.5mA，由等效电路可得

整理得

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由上式可知，ADS1213输入的差分电压与导线电阻无关，从而有效地消除了导线电阻对结果的影响。

当自检电路使能，电路处于断线检测状态时，其中热电阻及导线全部被屏蔽。

假设三根连接导线的电阻相同，阻值为R，R_T为热电阻的阻值，恒流源电路的电流I＝2.5mA，精密电阻R＝200Ω，由等效电路可得

整理得

由上式可知ADS1213输入的差分电压在断线检测状态下为0.5V的固定值，与导线电阻无关。

综上可知，在该板卡中，热电阻的三线制接法及运算放大器的两级放大设计有效地消除了导线电阻造成的误差，从而使结果更加精确。

为了确保系统可靠稳定地运行，自检电路能够迅速检测出恒流源是否正常工作及输入信号有无断线。其自检步骤如下：

1）首先使SEL＝1，译码器无效，屏蔽输入信号，若U_in＝0.5V，则恒流源部分正常工作，否则恒流源电路工作不正常。

2）在恒流源电路正常情况下，SEL＝0，ADS1213的PGA＝4，接入热电阻信号，测量ADS1213第1通道信号，若测量值为5.0V，达到满量程，则意味着恒流源电路的运放U4处于饱和状态，MOS管VT₁的漏极开路，未产生恒流，即输入的热电阻信号有断线，需要进行相应处理；若测量值在正常的电压范围内，则电路正常，无断线。

通道热电阻输入板卡的测量与断线检测电路设计

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