一概述
目前，在较高精度的温度测量仪器的开发研制中，普遍采用的是以铂电阻作为传感器，通过电子手段实现信号的采集和处理。但在这种铂电阻测温仪器中存在的一个难题，即温度漂移。一般而言，较高精度的测量仪器，往往是针对实验室环境设计的。但是，随着科技的进步，现场应用于对于仪器精度的要求也越来越高。例如，在气象业务中，日益推广应用的自动气象站，由于其自身的特点和业务工作的要求，不可能再使用实验室校准的方法来保证其准确性，必须实现现场校准。这样，我们就必须研制适合现场条件下使用的标准仪器。环境温度的大范围变动，是现场与实验室的一个主要差别。所以认真分析温度对仪器的影响并有效控制，是研制适合现场条件的高精度电子侧最仪器中必须加以认真考虑的问题。本文将针对铂电阻测温仪器的特点，对其温漂进行讨论并提出解决方案。
二、铂电阻测温仪器引起温漂的主要因索
图1是铂电阻测温的基本原理框图。
图1中电路的工作原理是这样的:
由恒流源电路提供恒定的电流，一般对于0.2%以上的温度测量，为避免铂电阻自热效应对测盆产生影响，电流不可超过1mA。电流流过铂电阻，在铂电阻两端产生相应的电压V=IR这个电压经过放大电路的放大，即可进人A刃转换器完成模一数转换，提供给CpU进行运算，从而计算出R值，根据铂电阻的温度响应相应公式R，=R。(1+At+BtZ)计算出温度值。在这个电路模型中，设在温度t下铂电阻的阻值为R，，凡=loon，恒流源提供的电流为I，放大电路的放大倍数为N，放大器失调电压为Vm，A刃转换器的基准电压源为Vs，则A刃转换器的满量程电压为kV台，k对于不同的A刃转换器有不同的值，本文中假定为1。如要达到0.2%的测量精度，则A刀D转换器应至少具有12位的精度，即满量程数字量Df=4095。所以，对于温度为t时A刃转换器的翰出tD应为
在此公式中，除了A。转换器满量程数字4005，其他量都会随温度变化。而R:随温度的变化并不与仪器的温度漂移相关。(1)式中I，珠，N，从四个量对仪器的温漂起到关键作用。进一步进行分析，可求解D的全微分
在电路设计中，一般当I二lmA时，我们可以取N=20左右。采用当前价格比较低廉的无器件，一般设计都比较容易实现I，珠，N，从的温漂分别为0.luA/lnA龙，三uV龙，50p，rn龙，放大器失调电压Vin
以上计算可以看出，如果我们希望仪器在O一so℃范围内保证温漂不超过0.1%，则放大器失调电压Vm的漂移可以忽略，但是，对于恒流源的漂移，放大倍率的漂移和A刃基准电压的漂移必须加以控制。
三常见的温漂控制方案
为了达到校准的准确性，我们起码要保证仪器在0一50℃范围内温漂不超过0.1%(标称精度0.2%)。解决这个问题，当然可以简单地通过选取高档器件来实现。但是这样，就必然造成仪器价格的大幅度提升。所以，此方法不在本文讨论范围之内。
廉价的解决方案，常见的是控制温度变化，即采用恒温的方案解决。既将上图中成线内的部分放置在恒温箱中。我们可以控制箱中的的温度，使其维持在某一高于仪器环境温度上限的温度士2℃范围内，这样，我们就可以保证在较大的温度范围内仪器的温漂满足要求。
但是，此方案存在着以下几个问题
(l)由子恒温箱的引人，加大仪器的体积和重童，携带不便;
(2)芯片长期工作在高温环境下，加速其老化;
(3)电加热必然消耗能源，加大仪器功耗;
(4)由于加热到设定温度，并保持稳定需要较长时间，无法实现即开即用;
(5)最重要的一点，仪器在结构上局限性大。难以采用插卡式设计实现通道和功能扩展，用户的选择性差，很多时候造成重复设计。
三小巧员活，价格低廉的自校式解决方案
本人在多年的工作中，结合自身的经验和体会，针对铂电阻测温中实际上是测童电阻阻值这一特点，认为下文中的自校方式才是最佳的廉价解决方案。
电路原理见图2:
本电路原理是这样的
引人两个标准电阻Rloo=loon和R138.5二138.5口，分别对应0℃和100℃。这两个电阻选用精度为0.01%，温漂为1pprn的标准电阻，与铂电阻以串联方式接人恒流源回路。通过模拟开关MAX355分时接人放大电路。由CPU来控制某一时刻，接人哪一支电阻。
我们知道，环境温度的变化，必然要经过一定的时间才能对上图电路产生影响，一般说来，如果我们可以在短时间内完成对三个电阻的扫描周期，就可以认为对三个电阻的采样是在相同温度条件下进行的，这个方案的提出，就是建立在这个认识上的。
在电路的右端，加人了两个标准电阻的校正开关。在实际电路中，采用两个8位拨码开关就可以满足需要。加人这两个校正开关的原因，是因为这两个电阻自身存在着0.01%的误差限;△R138.5成0.0138n，△Rloo《o.01n，所引起的温度测量误差分别为0.03℃。并且，焊接时的接触电阻也会引起测量的误差。接人校正电路，可以在标准温度下将两个标准电阻校正到标称值。
对于上图的电路，设计如下算法:
设A刃在对R138.5采样时输出数字量为Df，对Rloo采样时输出数字童为氏，在对Rt采样时输出数字量为D，则Rt的测量值R应为:
由前文所述，有如下推算:
当对三个电阻的采样周期足够短时，可以认为上面三个式子中的I，V孙忿，N，Vs分别相等。则对应于被测温度t的铂电阻的阻值测量值R为:
在这个式子中，注意到Rt的值只与被测温度有关，而与环境温度无关，所以，可以将Rt看作常数对上式求全微分，则
已知:
所以:
所以，在上式中，Rloo和R138.5的温漂对于R的影响为
又由于在O一100℃范围内，铂电阻Ptloo的响应可以大致按下式计算:
所以，由于温度而引起的铂电阻值相对测!误差，对温度测量产生的相对误差约为阻值误差的2.6倍，则以上两式的影响分别大致为2.6ppm龙。
由此可见，采用此方案，完全可以将仪器的温漂控制在spp叽龙范围内，这样，在0一5℃使用中，仪器的温漂不超过5x25=125pmm。
此电路中，由于引人了模拟开关MAX355，所以必须对其对测量的影响进行分析。
模拟开关对测量的影响主要表现在两个方面
1)由于引人模拟开关，使电阻与放大器的之间的电阻加大，所以，如果放大电路的输人电流过大，则必然会在模拟开关上产生压降，引人误差，所以，必须注意放大电路的高阻抗输人，如使用仪用放大器等，笔者在实际电路中采用AL巧20，其输人阻抗超过10120，对于模拟开关的导通电阻350n，则模拟开关上的压降为350xZ八012=17x10一’0，完全可以忽略。
2)模拟开关漏电电流对测量的影响。MAX355单通道的漏电流不超过snA，所以，在上图电路中漏电流不超过5x6二30nA，与恒流源的输出llnA的比值为soppm，完全可以忽略。
3)模拟开关的串扰对测量的影响。为了克服模拟开关的串优，必须注意数据采集在模拟开关地址信号稳定后进行。
4)由于采样是对三个电阻交替进行，必须注意信号阶越变化对测量造成的影响。所以，必须在通道转换后，信号达到稳定才能进行模一数转换。
我们可以从公式中看出，采用自校式设计，不但仪器的温漂会得到大幅度改善，而且，仪器的时漂也主要由Rloo和R138.5两个电阻决定，这样，我们便以两只标准电阻的低廉代价避免了对恒流源、放大器、基准源稳定性控制中的困难。并且仪器体积小巧、功耗低，采用插卡式设计，可以实现方便灵活的通道扩展。
四、自校方案在实际电路中的效果
基于上方案，笔者设计了多通道温度采集器，在3加~x280~x110~的机箱中实现了多达36路的温度采集，仪器精度为0.2%，侧试实验证明在0一50℃环境温度范围内温漂优于7pPn正.5龙，成功的实现用广在外现场实现高精度测试的要求。
五、结束语
环境温度变化，对仪器在使用中的实际精度有着极为重要的影响。在侧试仪器设计的过程中，必须认真考虑仪器的使用环境。只有这样，才能保证仪器在实际工作中的准确可靠，避免造成损失。
