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多通道石英晶體測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
1石英晶體測(cè)溫原理與特點(diǎn)
在-200～200℃的溫度范圍內(nèi),石英晶體諧振器的溫頻特性[1]可表示為
式中f0是溫度為t0時(shí)的諧振頻率,Hz;f(t)是溫度為t時(shí)的諧振頻率,Hz;T(f)=1n! nff0 tn為晶體的n階頻溫系數(shù).為簡(jiǎn)單起見(jiàn),取t0=0℃并將一階、二階、三階頻溫系數(shù)用α,β,γ表示,則式(1)可
當(dāng)晶體采用LC切割時(shí),理論上可使高次項(xiàng)系數(shù)為零,于是有f(t)=f0×(1+αt)或Δf=f(t)-f0=Bt,這里B=df(t)/dt=f0×α為感溫靈敏度,Hz/℃.可見(jiàn)只要測(cè)量Δf并按B值進(jìn)行線性定標(biāo),即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量.
石英晶體用于測(cè)溫有著顯著的優(yōu)點(diǎn).首先,它是頻率型傳感器,在電子測(cè)量中,頻率和時(shí)間的測(cè)量易于實(shí)現(xiàn)高精度;與模擬式傳感器系統(tǒng)比較,不需要進(jìn)行模擬信號(hào)加工,也無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換,因而誤差來(lái)源減少,抗干擾能力大大增強(qiáng);其次,石英晶體的等效諧振回路品質(zhì)因數(shù)極高,用其構(gòu)成的諧振回路有很高的頻率穩(wěn)定度.以上兩條,為實(shí)現(xiàn)用石英晶體測(cè)溫奠定了有力的基礎(chǔ).常用的測(cè)溫晶體的切型有LC切和Y切兩種,其性能比較如表1.
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1技術(shù)指標(biāo)
測(cè)溫范圍:0～80℃;通道數(shù):8;分辨力:0.001℃;準(zhǔn)確度:±0.05℃.
2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)追求盡可能高的性能價(jià)格比,本系統(tǒng)硬件框圖如圖1.
主控器8031控制8253的工作方式將恒溫晶振(標(biāo)頻f=10 Hz,日穩(wěn)定度為1×10-8) 分頻獲得主閘門(mén),同時(shí)控制數(shù)據(jù)選擇器以選擇標(biāo)頻或測(cè)溫晶體諧振器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)感溫探頭)的輸出進(jìn)入系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)自校或測(cè)試.任何時(shí)候,都是利用閘門(mén)關(guān)閉的下降沿向8031申請(qǐng)中斷,通知CPU處理數(shù)據(jù),現(xiàn)將部分電路簡(jiǎn)述如下.
2.2.1測(cè)溫晶體選擇與測(cè)溫探頭電路
如表1,為了降低成本,選用國(guó)產(chǎn)10 MHz、Y切測(cè)溫晶體,其B≈900 Hz/℃,感溫靈敏度較高,但非線性較大,對(duì)后者擬用軟件進(jìn)行修正.
測(cè)溫探頭電路框圖如圖2.主振電路元件要求溫度特性穩(wěn)定,并經(jīng)老化篩選,晶體的激勵(lì)電平要調(diào)整合適,晶體必須進(jìn)行老化以減小漂移[3].處理后的老化率可達(dá)10-7/年.
2.2.2閘門(mén)電路與計(jì)數(shù)電路
在一定的感溫靈敏度下,閘門(mén)寬度確定了測(cè)溫分辨力.現(xiàn)要求數(shù)溫轉(zhuǎn)換因子K=1×103/℃,則計(jì)數(shù)閘門(mén)寬度T可由下式確定:T≥K/B=1×103/900=1.12 s,取T=1.2 s.利用恒溫晶振、預(yù)分頻器和8253的T0,T1工作在方式3與方式2,可獲得所需要的閘門(mén)時(shí)間,改變預(yù)置數(shù)可靈活地改變閘門(mén)寬度.
計(jì)數(shù)電路由預(yù)計(jì)數(shù)器與定時(shí)器T0構(gòu)成,預(yù)計(jì)數(shù)器為8位,以確保T0的計(jì)數(shù)頻率低于CPU主振頻率的1/24,取數(shù)申請(qǐng)由閘門(mén)后沿提出,INT0工作于邊沿觸發(fā)式.
2.2.3老化漂移修正
晶體老化引起的頻率漂移會(huì)降低測(cè)溫準(zhǔn)確度,因此須定期進(jìn)行校準(zhǔn),簡(jiǎn)捷的辦法是在線修正零頻,這可用串行E2PROM存儲(chǔ)零頻漂移值來(lái)解決.
2.2.4自校與WDT
為了提高儀器使用的可靠性,儀器設(shè)置了自校功能.開(kāi)機(jī)時(shí)儀器處于自校位置,對(duì)標(biāo)頻進(jìn)行計(jì)量.若儀器顯示正確的自校數(shù),則表明探頭以外的全部電路工作正常.WDT則是利用8253中定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2和一個(gè)負(fù)沿觸發(fā)的單穩(wěn)電路來(lái)完成.T2工作在方式4,預(yù)置1.5 s的時(shí)間常數(shù),利用方式4重新預(yù)置立即有效的特性,在程序正常工作時(shí)及時(shí)重寫(xiě)時(shí)間常數(shù),否則在1.5 s以后系統(tǒng)自動(dòng)重新復(fù)位.
3溫頻測(cè)試數(shù)據(jù)與誤差處理
筆者用國(guó)產(chǎn)10 MHz的Y切晶體試制8支探頭送計(jì)量部門(mén)檢定,測(cè)試結(jié)果表明各階頻溫系數(shù)與理論相符.限于篇幅,僅將1#、2#探頭數(shù)據(jù)列于表2,表3.為了滿足整機(jī)技術(shù)指標(biāo),有必要對(duì)誤差來(lái)源作一簡(jiǎn)單分析.
晶體測(cè)溫誤差主要來(lái)源于測(cè)頻誤差、溫-頻特性的非線性誤差、晶體老化漂移誤差和運(yùn)算誤差,對(duì)于后者,由于采用四字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算,其影響可以忽略.測(cè)頻誤差為
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℃.老化漂移影響Δtd通過(guò)定期校準(zhǔn)限制在0.001℃.
對(duì)于溫-頻特性的非線性誤差,采用最小二乘法二次曲線擬合,擬合后偏差如表中Δt1.由表可見(jiàn),對(duì)1#探頭在10℃附近仍超差,為此對(duì)其進(jìn)行分段二次逼近,擬合后偏差如表2中Δt2.經(jīng)過(guò)這樣處理之后,各探頭非線性誤差的最大值為Δtmax=0.044℃,經(jīng)以上處理,測(cè)溫儀的總誤差為Δt=Δt2f+Δt2d+Δt2l=0.046℃,滿足整機(jī)技術(shù)要求。
4軟件流程
軟件流程如圖3、圖4所示.
5結(jié)束語(yǔ)
理論和實(shí)踐證明,在0～80℃范圍內(nèi),利用國(guó)產(chǎn)Y切晶體實(shí)現(xiàn)高分辨力、高準(zhǔn)確度測(cè)溫是可行的,采用本文提出的方案成本亦相當(dāng)?shù)土?這對(duì)于那些溫度變化比較緩慢、變化量十分微小的應(yīng)用場(chǎng)合尤為適宜.
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
