基于ispPAC和單片機的熱電偶實驗儀

1.  引言

    在大學物理熱電偶實驗中，傳統的溫差電動勢的測量多采用補償法，溫度的測量使用水銀溫度計。整個實驗過程復雜、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壓電源，從而導致實驗成本高。為了解決傳統實驗方法中存在的問題，筆者研制了一種基于ispPAC^[1]和單片機的熱電偶實驗儀，該實驗儀放大電路采用在線系統可編程模擬器件ispPAC（In-System Programmability Programmable Analog Circuit），使用其開發軟件PAC-Designer在計算機中可進行重復的設計、修改與配置功能模塊；采用數字傳感器精確的測量溫度；利用高精度A/D轉換器件對結果進行數字化；利用單片機對整個系統協調控制，并實現數據的轉換與顯示。整個系統性能穩定、測量準確、價格低廉。

2 實驗系統的設計

2.1系統組成

    系統由如圖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顯示模塊共四個模塊組成^[2-5]。溫差電動勢經過ispPAC可編程放大后被轉換成直流電壓，輸入到A/D轉換器進行數模轉換，再通過單片機控制電路送入LED顯示，最終實現人機接口。

2.2 溫差電動勢測量電路設計

    本系統采用的在系統可編程模擬器件為美國Lattice公司生產的芯片。它由4個可編程模擬信號處理電路模塊(PAC Block)，模擬信號布線區和在系統可編程接口電路等部分組成，器件用5V單電源供電。每個PAC模塊由兩個差分輸入(Differential Inputs)儀表放大器(IA1和IA2)，1個反饋放大器IAF和1個差分輸出(Differential Outputs)求和放大器(OA1)所組成。其中儀表放大器的跨導增益可調（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模塊結構如圖2所示。   

　　圖1系統框圖

　　圖2  PAC模塊結構圖{{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