基于ispPAC和單片機(jī)的熱電偶實(shí)驗(yàn)儀

1.  引言

    在大學(xué)物理熱電偶實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的溫差電動勢的測量多采用補(bǔ)償法，溫度的測量使用水銀溫度計(jì)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、原理不直觀，儀器誤差較大。因其對電源要求高而常使用干電池或者穩(wěn)壓電源，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本高。為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法中存在的問題，筆者研制了一種基于ispPAC^[1]和單片機(jī)的熱電偶實(shí)驗(yàn)儀，該實(shí)驗(yàn)儀放大電路采用在線系統(tǒng)可編程模擬器件ispPAC（In-System Programmability Programmable Analog Circuit），使用其開發(fā)軟件PAC-Designer在計(jì)算機(jī)中可進(jìn)行重復(fù)的設(shè)計(jì)、修改與配置功能模塊；采用數(shù)字傳感器精確的測量溫度；利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器件對結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化；利用單片機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與顯示。整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定、測量準(zhǔn)確、價(jià)格低廉。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)組成

    系統(tǒng)由如圖1所示的溫差電動勢測量模塊、CPU控制模塊、溫度測量模塊和LED顯示模塊共四個(gè)模塊組成^[2-5]。溫差電動勢經(jīng)過ispPAC可編程放大后被轉(zhuǎn)換成直流電壓，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過單片機(jī)控制電路送入LED顯示，最終實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。

2.2 溫差電動勢測量電路設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)采用的在系統(tǒng)可編程模擬器件為美國Lattice公司生產(chǎn)的芯片。它由4個(gè)可編程模擬信號處理電路模塊(PAC Block)，模擬信號布線區(qū)和在系統(tǒng)可編程接口電路等部分組成，器件用5V單電源供電。每個(gè)PAC模塊由兩個(gè)差分輸入(Differential Inputs)儀表放大器(IA1和IA2)，1個(gè)反饋放大器IAF和1個(gè)差分輸出(Differential Outputs)求和放大器(OA1)所組成。其中儀表放大器的跨導(dǎo)增益可調(diào)（gm的變化范圍為2uA/V～20uA/V），電路輸出阻抗為10⁹歐姆，共模抑制比為69db。 反饋放大器IAF增益固定，等于2uA/V。輸出放大器的反饋電容Cf有多種電容值(1pF-62pF)可供選擇。溫差電動勢由IA1的Vin+和Vin-端輸入。PAC模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。   

　　圖1系統(tǒng)框圖

　　圖2  PAC模塊結(jié)構(gòu)圖{{分頁}}

　　圖中，信號從IA1輸入，輸入信號：

　　Vin=Vin+ －Vin-                         （1）

　　輸出信號：

　　Vout=Vout+ －Vout-                       （2）

　　而：Ia=gm1