铂电阻型温度传感器信号调理电路设计

赵振宇，白 洁，冯 浩

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安 710065)

0 引 言

在发动机控制系统中，RTD作为温度传感器，主要用来对压气机进口温度、滑油温度和引气温度等关键结构位的温度进行精确测量。而铂电阻型温度传感器具有精度高、环境适应性强、范围宽的特性[1-3]，已在工业现场经过充分验证。因此在组合动力单元中，对于这些结构位的温度通常采用铂电阻型温度传感器进行采集。对于铂电阻型温度传感器，本文采用惠斯特平衡电桥方法进行采集。设计了高精密电流源电路、高精度仪表放大电路以及相应的滤波电路，充分保证了在复杂电磁环境及温度恶劣使用环境下都可进行高精度温度采集的良好性能。

1 调理电路原理

在该电路设计时，除进行功能设计外，还进行了抗恶劣环境设计，以保证该调理电路能够在各种恶劣环境下都保持良好的性能。本文中设计的调理电路功能框图如图1所示，该调理电路由EMI防护电路[4]、精密电流源电路、惠斯特电桥电路、精密放大电路、低通滤波电路组成。EMI防护电路用于抑制外界的辐射、耦合干扰通过电缆，使设计满足传导敏感度的要求。精密电流源电路产生mA级电流，为惠斯特平衡电桥提供供电稳定的电流，保证电流桥输出电压与传感器阻值变化具有固定的函数关系。惠斯特电桥通过将传感器加入桥臂，利用电桥的平衡原理反应外部阻值的变化。精密放大电路完成小信号的无失真放大。低通滤波电路针对传感器信号的频率特性，滤除不需要的高频成分。调理电路的原理图如图2所示。

图1 调理电路功能框图

图2 调理电路原理图

1.1 EMI防护

由于飞机上会有发电机、起动机等各种复杂电磁设备使用，会产生复杂的高频扰动，必须考虑如何抑制这部分干扰，即必须进行EMI防护设计。在本文中采用由电感和电容组成的L型EMI防护电路，在传感器的每一个输入线路上添加该电路，以防止外部设备的扰动进入后级调理电路，造成后级电路处于错误的工作状态。

EMI防护电路和分析模型如图3所示，该EMI防护电路是一个L形LC低通滤波电路，将电感自身的阻抗及线路电阻定义为RL，将电容自身的阻抗及后级负载等效电阻定义为RC，纯电感、电容分别为L、C，则输入和输出电压的传递函数如式(1)。截止频率f0计算公式如式(2)，在该频率噪声开始衰减。

图3 EMI防护等效电路

EMI防护等效电路的传递函数如下：

(1)

求解该传递函数，可以得到EMI防护电路的截止频率为

(2)

由上述推导，可知电路EMI特性与RL及RC无关，通过选择合适的L、C参数，可充分抑制频率范围外的噪声扰动。

1.2 精密电流源

为保证精密电流源在-40℃～70℃温度范围内都可输出稳定的mA级弱电流值，在本文中采用5 V稳压源芯片构成电流源电路，该电路结构简单，仅通过改变配置电阻值即可灵活配置输出电流。电路原理图如图4所示。

图4 精密电流源电路

精密电流源电路输出的电流值为

(3)

该电路中，仅需通过变化R2电阻的阻值，即可很方便的实现输出电流的精确调整。该电路在应用的过程中，有如下需要注意事项：

(1)VIN供电电压范围为5 ～21 V。

(2)R2电阻的阻值不得小于500 Ω。

(3)运放在选型时，需选择偏置电流尽量小的运放。

(4)R2电阻在选型时，需结合惠斯特桥臂电阻以及后级仪表运放的输入电压范围进行综合判断，同时要保证R2电阻的精度以及温度漂移特性，以满足宽温度范围内的高精度电流输出要求。

1.3 惠斯特平衡电桥

在本文中将惠斯特平衡电桥的三个桥臂电阻选取相同的阻值[5-6]，电路原理图如图5所示。

图5 惠斯特电桥等效原理图

对图5中电路结构进行数学推导可知：

(4)

1.4 精密放大

为了尽量减小传感器信号的共模扰动，在电路设计时将该信号作为差分信号进行处理，放大环节选用了具有较高共模抑制比的仪表运放，该电路配置简单，仅需更改R1的电阻值即能调节电路的增益。

图6 精密放大电路原理图

对图6中电路结构进行数学推导可知：

(5)

同时在该电路的前端设计有滤波单元，用来抑制信号中的共模及差模扰动。共模信号滤波截止频率及差模信号滤波截止频率分别如下：

(6)

(7)

1.5 低通滤波

传感器输出的有效信号为低频信号，为了进一步消除外部扰动对传感器信号调理电路的影响，在该调理电路的最后设计有二阶低通滤波器，其原理图如图7所示。

图7 二阶低通滤波电路原理图

二阶低通滤波电路的传递函数如下：

(8)

求解该传递函数，可以得到二阶低通滤波电路的截止频率为

(9)

2 电路测试

2.1 电路测试系统设计

为对本文提出的铂电阻型温度传感器信号调理电路的功能和性能进行测试，按图8所示进行了测试平台的搭建。选择PT100信号仿真板卡实现对铂电阻型温度传感器的模拟，允许电阻信号变化范围为68～192 Ω，输出信号稳态精度在全量程范围内不超过0.05%。为保证测试的准确性，对于测试系统的阻值输出使用安捷伦6位半万用表1进行准确测量，当发现测试系统输出超差时，及时进行校准，校准后再进行测试。使用万用表2对调理电路的输出进行测量并记录，将测试电压值与理论电压值进行比较，可以得到该电路的调理精度。为测试电路在恶劣环境下的工作性能，需在高低温试验箱中，对调理电路进行测试。

图8 测试系统

2.2 电路测试结果

调理电路中，桥臂电阻设置为120 Ω，精密放大电路放大倍数设置为80.80614。表1为本铂电阻型温度传感器信号调理电路实际测试结果，通过表1可看出，本文提出的温度传感器信号调理电路在-40 ℃～75 ℃温度范围内均可保持高精度状态，精度可达0.5%，具有较大实际应用前景。

表1 铂电阻型温度传感器号调理电路测试

3 结 语

本文介绍了一种铂电阻型温度传感器信号调理电路，通过对功能电路进行单元拆分设计，既保证了调理电路的精度，又保证了调理电路对恶劣环境的适应性。电路测试结果表明，该调理电路精度可达到0.5%，同时抗干扰能力较高，另外，该调理电路设计方案可通过简单的更换桥臂电阻以及电流源电阻兼容PT1000型热电阻传感器，理论上仍可得到同样的精度。