AD7793芯片在地温测量中的应用

刘焕乾

（湖南省气象技术装备中心，湖南 长沙400017）

AD7793芯片在地温测量中的应用

刘焕乾

（湖南省气象技术装备中心，湖南 长沙400017）

A D7793芯片采用四线制、多通道切换设计，较好地满足了地温测量中高精度温度测量、多通道测量的要求。介绍了该芯片在地温测量中的应用，并分析了其在测量中容易产生的误差，通过硬件优化和软件设计等方法进行了改进，最终测试结果表明，系统具备较好的测量精度和可重复性。

温度测量；多通道；A D7793

地温是指地表面及其以下不同深度处土壤温度的统称，其直接表征着大气和土壤层的热量交换，是地表和大气界面的重要参量，尤其在农业和气象领域有着重要意义。在温度测量中，铂电阻因其性能稳定、电阻随温度变化呈线性关系而得到广泛应用[1]。笔者主要介绍了以AD7793芯片为核心部件的高精度多通道的温度测量技术在地温测量中的应用，以期为地温数据采集提供新途径。

1 AD7793芯片特点

AD7793芯片是适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、带有3个差分模拟输入的24位Σ-Δ型模数转换控制器（Analog/Digital Controller，ADC）[2-3]。它集成了片内低噪声仪表放大器，可直接输入小信号，当增益设置为64、速率更新为4.17 Hz时，均方根（RMS）噪声为40 nV。器件内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，同时也可采用外部差分基准电压。其片内还包括可编程激励电流源，有3种电流输出选择。器件可以采用内部时钟或外部时钟工作，输出数据速率可通过软件编程设置，可在4.17～470 Hz的范围内变化。器件还可同时抑制 50 Hz/ 60Hz交流电源干扰[2]。

2 测量原理

为保证温度测量的精度，AD7793同时内置了高精度恒流源，测量电路采用四线制测量方法，如图1所示。图中IOUT为AD7793内置的高精度恒流源，R1、R2、R3、R4为引线电阻，R5为高精度电阻，RTD为铂电阻。AIN+、AIN-为差分电压测量输入端，VREF+、VREF-为参考电平输入端。

图1 四线温度测量电路

恒流源通过恒定电流激励铂电阻，在其两端产生的电压通过 R2、R3输入到AD7793电压测量脚VIN+/-进行模数转换，而电压测量端为高输入阻抗，因此产生的分流可以忽略不计。同时，电流流经高精度电阻R5产生参考电压，通过AD7793的VERF+/-脚输入，作为其参考电压。由于采用同一恒流源，有效地去除了恒流源波动带来的测量误差。

研究中使用的铂电阻PT100，在0摄氏度时电阻为100Ω，温度每升高或者降低一度，电阻相应正线性变化0.385Ω。因此，根据电路图可通过公式1得到温度值T。式中，T为温度，U为铂电阻两端电压，I为恒流源产生的电流。

3 多通道测量

由于气象温度测量中需要多路测量，而AD7793只提供3组差分模拟输入，所以为了满足多路测量的需要，研究采用数字控制模拟开关，通过模拟通道的切换完成对多路信号的测试，如图2所示。

图2 多通道测试原理图

图2中MCU为控制器，Multiplexer1是单路8通道模拟开关，Multiplexer2差分4通道模拟开关，RTD为被测铂电阻，Rv为高精度电阻。控制器通过I/O口模拟通道的控制端口完成通道的切换，被测铂电阻的测试端通过差分模拟开关连接到AD7793的电压转换输入端，AD7793产生的恒流源电流通过单通道开关为铂电阻提供电流，各通道共用高精度电阻，其产生参考电平提供给AD7793作为参考电压。图2只示例了2路测试，而每片差分4通道模拟开关可以满足4路测量的需要，每片单路8通道模拟开关可以满足8路测量的需要。扩展时对控制器的I/O口有一定的消耗，但是扩展时大部分控制信号可以复用，如果I/O较为紧张，可以通过译码器来节约控制器的I/O口。因此可以通过该方法可轻松地扩展多路测量。

4 测量中存在的问题

AD7793采样频率可调范围在4.17～470 Hz，对电路进行初始测试时，采用470 Hz高采样频率，发现测试数据波动较大，测量温度有0.8℃左右的波动。但是每次切断电源后，最后几组测试数据突然较为稳定。由于电源有部分储能原件，在切断电源后，仍然能短时间提供电源完成测量，但是切断电源后没有交流电输入带来的干扰，因此判断之前的数据波动为电源输入干扰[4]。在使用低采样频率，开启50 Hz/60Hz抑制后，测量数据明显稳定很多，但测量温度数据仍然有0.2℃左右的波动，因此在AD差分模拟输入针脚间加入去耦电容，再进行测量发现温度数据只在百分位出现变化。

5 测量结果

将温度传感器放入高精度可控水浴恒温箱，将电路采集的温度与标准温度进行比对。从10～40℃完成10个周期的测量，结果如表1所示。从表1中可以看出，测量误差小于0.04℃，测量的重复性和稳定性均达到要求（＜0.1℃）。

表1 温度测量数据 （℃）

6 结束语研究采用基于AD7793的铂电阻多通道温度测量系统，通过四线测量、内置恒流源激励等方式有效地提高了测量精度，同时测量稳定性高、可重复性好、集成度高，但是不可避免地出现了电源引入干扰等问题，通过硬件优化、软件设计得到较好地解决。

[1] 刘孟德，贺海靖，杜立彬.高精度温度测量电路设计[J].山东科学，2012，25（2）：72-75.

[2] 韩云杰，刘宇红，包化伟.对多路数据采集存储的设计实现[J].电子科技，2014，27（6）：137-139.

[3]董 鸣.A D7793在高精度温控设备中的应用[J].电子技术，2012，（8）：30-32.

[4]张 震，王 剑，黄国辉，等.高性能通用温度采集仪的研制[J].机电工程，2010，27（3）：80-84.

（责任编辑：成 平）

App lication of AD7793 in Geothermal Survey

LIU Huan-qian
（Meteorologic Technology Equipment Center of Hunan,Changsha 410007,PRC）

This papermainly introduced the application of AD7793 chip on the geothermal survey.As a result of four-wire system, multi-channelsw itch design,the AD7793 canmeet the requirements of the temperaturemeasurementof high precision andmulti-channel. But therewereerrorseasily happened in themeasurement,and relevantmethodswere put forward like hardware optiMization and software design to promote thesystem.Generally speaking,the systeMhasgoodmeasurementaccuracy and repeatability.

temperaturemeasurement;multi-channel;AD7793

TP216

A

1006-060X（2015）04-0143-02

10.16498/j.cnki.hnnykx.2015.04.044

2015-03-13

刘焕乾（1983-），男，湖南湘潭市人，工程师，主要从事气象技术保障工作。