七、思考题

问：A/D 转换器有哪些类型，试分别说明其原理和特点。

答： 按工作原理不同，A/D 转换器可以分为：直接型 A/D 转换器和间接型 A/D 转换器。直接型 A/D 转换器可直接将模拟信号转换成数字信号，这类转换器工作速度快。并行比较型和逐次比较型 A/D 转换器属于这一类。而间接型 A/D 转换器先将模拟信号转换成中间量（如时间、频率等），然后再将中间量转换成数字信号，转换速度比较慢。双积分型 A/D 转换器则属于间接型 A/D 转换器。以下是详细介绍： （1） 并行比较型 A/D 转换器（直接型 A/D 转换器）

位并行比较型 A/D 转换器由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。 （2） 逐次比较型 A/D 转换器（直接型 A/D 转换器）

逐次逼近型 A/D 转换器属于直接型 A/D 转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。转换过程相当于一架天平秤量物体的过程，不过这里不是加减砝码，而是通过 D/A 转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电压平衡。这些标准电压通常称为电压砝码。

（3） 双积分型 A/D 转换器（间接型 A/D 转换器）

双积分型 A/D 转换器属于间接型 A/D 转换器，它是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间 T；然后再对中间变量量化编码，得出转换结果，这种 AD 转换器多称为电压-时间变换型（简称 VT 型）。

实验二 铂电阻温度特性实验

一、实验目的

了解热电阻的特性与应用。

二、基本原理

1、热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

式中，Rt 为温度t 时的阻值；Rt0 为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。半导体热敏电阻的阻值和温度关系为Rt=AeB/t。式中Rt 为温度为t 时的阻值；A、B 取决于半导体材料的结构的常数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。

2、热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

本次实验，为了提高实验效率，缩短试验时间，感温热电阻的阻值由可调阻值范围的电阻箱给定。通过查Pt100温度——阻值表，根据不同温度设定相应电阻箱阻值，以代表不同温度。

3、通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制室之间存在一定的距离，因此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前热电阻的引线主要有三种方式：

二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r 大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。

R I R

两线制测电阻原理图

Rr Vo Rt

三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的引线电阻。

R I Rr R Vo Rl1 Rl2 Rl3 Rt

三线制测电阻原理图

四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R 转换成电压信号U，再通过另两根引线把U 引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

Rl1 I Vo Rl2 Rl3 Rl4 四线制测电阻原理图

本次试验采用三线制引线测量方式。

4、铂热电阻是利用铂丝的电阻值随着温度的变化而变化这一基本原理设计和制作的，按0℃时的电阻值R(℃)的大小分为10 欧姆（分度号为Pt10）和100欧姆（分度号为Pt100）等，测温范围均为-200~850℃.10 欧姆铂热电阻的感温原件是用较粗的铂丝绕制而成，耐温性能明显优于100 欧姆的铂热电阻，只要用于650℃以上的温区：100 欧姆铂热电阻主要用于650℃以下的温区，虽也可用于650℃以上温区，但在650℃以上温区不允许有A 级误差。100 欧姆铂热电阻的的分辨率比10 欧姆铂热电阻的分辨率大10 倍，对二次仪表的要求相应地一个数量级，因此在650℃以下温区测温应尽量选用100 欧姆铂热电阻。

5、将电阻值的测量转换为电阻两端电压的测量 温度传感器实验模板及连线图（图1）：

Rt

电阻是三线连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。将Vo接综合实验仪的模拟通道电压输入端，以实现电压测量。

具体电压测量电路如下：

电阻箱电阻与R3、R1、Rw1、R4 组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。调Rw1 使电桥平衡，即桥路输出端b 和中心活动点之间输出为零。调Rw3 使V02=0，接上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零，去除放大器零漂电压。适当的调节Rw2获得合适的增益，以便于电压值的测量显示。通过改变电阻箱阻值，Vo端将得到对应的电压值。

实验思路：我们小组从以上实验原理中分析得知，本次实验根据不同温度设定电阻箱的阻值（对应不同温度下Pt100的阻值），通过测定电阻值两端电压得到电压值与电阻值（对应温度）的关系，从而得到电压值与温度的关系。经过电压校正后，可以实现到高精度的电压值测量。根据拟合得到的电压与温度的关系可由测得的电压值计算出对应的温度值。并与实际温度进行参照，分析误差。

三、实验内容：

利用综合实验仪设计热电阻温度计：

1、利用标准电阻箱作为热电阻测温代替PT100电路实验

2、设计一种三线制测温电路，分析其原理和误差； 3、用实验仪设计实现温度仪；

4、利用标准电阻箱对电阻测量进行标定； 5、根据分度表进行线性校正。

四、实验设备：

标准电阻箱（Pt100 热电阻），CSY-3000 实验仪，CKXT-I 型综合实验仪，万用表。

五、实验步骤：

1、用万用表欧姆档测出Pt100 三根线中其中短接的二根线(同种颜色的线)设为1、2，另一根设为3，并测出它在室温时的大致电阻值（实际测得0.45欧姆）。

2、在主机箱总电源、调节仪电源都关闭的状态下，再根据图1示意图接线，温度传感器实验模板中ａ、ｂ(Ｒt)两端接传感器，这样传感器(Rt)与R3、R1、Rw1、R4 组成直流电桥，是一种单臂电桥工作形式。

3、放大器调零、调增益：将图1中的温度传感器实验模板的放大器的两输入端引线(一根传感器引线、另一根桥路输出即Rw1 活动触点输出)暂时不要引入，而用导线直接将放大器的两输入端相连(短接)；将主机箱上的电压表量程(显示选择)切换开关打到2Ｖ档，合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的RW2(逆时针转到底)增益电位器，使放大器增益最小；再调节RW3(调零电位器)使主机箱的电压表显示为０。

4、关闭主机箱电源开关，将电阻箱接入电路，并将实验模板中放大器的输入端引线按图1连接，检查接线无误后，合上主机箱电源开关。

5、参照pt100热电阻的分度表得出0—150℃对应的电阻箱的阻值，并通过实验模板的电路将不同温度对应的电压在实验仪上显示出来。为减小误差在每一温度点可测取多组电压值，求平均值后填入下表中

6、使用Matlab 来处理实验得到的数据。先把测量得到的数据利用最小二乘法进行线性拟合。并将拟合求得的公式写入CKXT-I的程序中，实现将采集到的电压值转换为温度值并将测量结果显示在LED 上。将测量的温度填入表中。

7、将测量温度和给定温度进行比较，并分析温度测量过程中存在的误差。

六、数据记录与分析：