CN101446494A - 一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，该温度检测电路添加在温度传感器与数字信号处理单元之间，所述温度检测电路包括有温度－电压转换单元、电压基准电源、差分运放单元、模数转换单元。本发明温度检测电路能够将温度信息转换为数字电压信息进行差分运放处理，使得输出电压范围大、输出温度精度高，提高了星载用光纤陀螺中温度检测电路的可靠性。

Description

一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路

技术领域

本发明涉及一种温度检测电路，更特别地说，是指一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路。

背景技术

卫星应用环境比较恶劣，多种空间环境效应都会影响光纤陀螺的工作，如：热真空环境、辐射环境、磁场及空间电磁干扰和其它空间突发事件(如核爆等)。因此，提高光纤陀螺的可靠性和延长陀螺的使用寿命，成为光纤陀螺空间应用(如卫星用)最为重要的设计要求之一。因此，为保证空间应用光纤陀螺的可靠性，检测电路元器件的选用尤为重要。

卫星用光纤陀螺的另一个重要的指标就是精度，高精度光纤陀螺为卫星的定姿和控制提供极其重要的数据，由于星内环境温度的变化会对光纤陀螺主要测试指标(如零偏稳定性和随机游走等)造成很大的影响。为保证光纤陀螺全温范围(—20℃～+55℃)内的测试精度，对光纤陀螺进行温度补偿成为有效而必要的措施。温度补偿的前提就是精确而可靠的测量温度，因此，设计一种可用于卫星用高精度光纤陀螺的温度检测电路就显的尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，该温度检测电路添加在温度传感器与数字信号处理单元之间，能够将温度信息转换为数字电压信息进行差分运放处理，使得输出电压范围大、输出温度精度高，提高了星载用光纤陀螺中温度检测电路的可靠性。

本发明的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，该温度检测电路添加在温度传感器(5)与数字信号处理单元(6)之间；所述温度检测电路包括有温度-电压转换单元(1)、电压基准电源(4)、差分运放单元(2)、模数转换单元(3)；

温度-电压转换单元(1)接收温度传感器(5)探测到的温度信号T₀，并将该温度信号T₀进行温度-电压线性映射处理后输出温度-电压V₁给差分运放单元(2)；

电压基准电源(4)用于向差分运放单元(2)提供一个作为电压信息的差分放大用的基准电压V₄；

差分运放单元(2)将接收的温度-电压V₁、基准电压V₄进行电压量程范围拉伸关系处理后输出差分放大电压V_out给模数转换单元(3)；

模数转换单元(3)将接收的差分放大电压V_out转换为数字电压V_D后输出给数字信号处理单元(6)。

所述的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，经差分运放单元(2)放大后的电压范围根据模数转换单元(3)决定。

本发明用于星载光纤陀螺的温度检测电路的优点：(1)差分放大后的电压范围可根据需要而改变，可大于—5V～+5V，具体可根据所选模数转换器决定。(2)所选模数转换器的电压范围为—1V～+1V。(3)温度检测电路输出温度精度高于0.01℃，而采样电压精度为0.018℃。

附图说明

图1是本发明温度检测电路的功能结构框图。

图2是本发明温度检测电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，该温度检测电路添加在温度传感器5与数字信号处理单元6之间。

参见图1所示，所述温度检测电路包括有温度-电压转换单元1、电压基准电源4、差分运放单元2、模数转换单元3。

温度-电压转换单元1接收温度传感器5探测到的温度信号T₀，并将该温度信号T₀进行温度-电压线性映射处理后输出温度-电压V₁给差分运放单元2；在本发明中，温度-电压线性映射满足V₁＝I₀R4，且I₀＝T₀+K，K＝273，T₀为摄氏温度其单位为℃，I₀的单位为μA，V₁的单位为mV，R4的单位为kΩ。

电压基准电源4用于向差分运放单元2提供一个作为电压信息的差分放大用的基准电压V₄；

差分运放单元2将接收的温度-电压V₁、基准电压V₄进行电压量程范围拉伸关系处理后输出差分放大电压V_out给模数转换单元3；

模数转换单元3将接收的差分放大电压V_out转换为数字电压V_D后输出给数字信号处理单元6。

在本发明中，模数转换单元3为12位A/D转换器，采样电压范围为±1V。电路如图2所示，若V_out输出范围为±1V时，总采样数字量N＝2¹²＝4096，一个LSB对应的温度值为(75/N)℃≈0.018℃。差分运放单元2进行差分放大后的电压范围可根据需要而改变，可大于—5V～+5V，具体可根据所选的模数转换单元3决定。

由以上计算可知，该温度采集电路可采集的温度精度非常高，完全可以到达星载高精度光纤陀螺用温度补偿所需。

本发明的温度检测电路中进行的电压量程范围拉伸关系作如下说明：

首先确定A/D转换器(模数转换单元3、电路芯片为D1)采样电压的范围(±1V)，以保证差分运放单元2输出的差分放大电压V_out不超出此量程。然后，应确定温度传感器AD590JF/883输出电流I₀的范围。

温度传感器AD590JF/883为1μA/K的线性电流输出，经过电阻R4采样后转换为温度-电压V₁输出，温度-电压V₁的大小由电阻R4和温度传感器AD590JF/883输出的电流I₀共同决定。根据卫星用光纤陀螺的鉴定级环境试验条件的温度范围—20℃～+55℃，得知AD590JF/883的输出电流I₀的范围为253μA～328μA，则输出温度-电压V₁的范围为0.253R4～0.328R4(其中，R4的单位为kΩ)。在本发明中，差分运放单元2所选芯片LTC1051MJ8/883的2管脚电压记为V₂，依据运算放大器基本原理，可知V₂＝V₁。

确定电压参考源LM185BYH/883的输出参考电压V₄，由可调电压的基准电压计算公式知，

$V_4=1.24(\frac{R3}{R2}+1)---\left(1\right)$

式中，R3表示的是电阻R3的阻值，R2表示的是电阻R2的阻值。

为提高电压参考源的带负载能力，将参考电压V₄加载至射随输出器(U1B芯片)，参考电压V₄经线性跟随后在管脚7的输出电压记为V₇，则V₇＝V₄。

电压V₇经电阻R5、电阻R6，运算增益为差分放大电压V_out，则有

$\frac{V_2-V_{\mathrm{out}}}{R6}=\frac{V_7-V_2}{R5}---\left(2\right)$

在本发明中，由V₂＝V₁，V₇＝V₄联立得

$\frac{V_1-V_{\mathrm{out}}}{R6}=\frac{V_4-V_1}{R5}\⇒V_{\mathrm{out}}=V_1-\frac{R6}{R5}(V_4-V_1)---\left(3\right)$

为了确定本发明温度检测电路中第四电阻R4、参考电压V₄的取值，设定V₁取最小值0.253R4时，V_out也取最小值，记为V_OUT1；V₁取最大值0.328R4时，V_out也取最大值，记为V_OUT2；则有

$\frac{0.253R4-V_{\mathrm{OUT}1}}{R6}=\frac{V_4-0.253R4}{R5}---\left(4\right)$

$\frac{0.328R4-V_{\mathrm{OUT}2}}{R6}=\frac{V_4-0.328R4}{R5}---\left(5\right)$

联立式(4)、式(5)得

$R4=\frac{(V_{\mathrm{OUT}2}-V_{\mathrm{OUT}1})V_4}{0.253V_{\mathrm{OUT}2}-0.328V_{\mathrm{OUT}1}+0.075V_4}---\left(6\right)$

$V_4=\frac{0.253R4\×V_{\mathrm{OUT}2}-0.328R4\×V_{\mathrm{OUT}1}}{-0.075R4-V_{\mathrm{OUT}1}+V_{\mathrm{OUT}2}}---\left(7\right)$

在本发明中，差分放大电压V_out的最小值V_OUT1、差分放大电压V_out的最大值V_OUT2是由所选取的模数转换单元3的芯片电压量程决定的。AD872ASD/883芯片的单端输入信号电压量程为±1V。

参见图2所示，本发明温度检测电路的各管脚的连接为：

温度传感器AD590JF/883芯片U3的管脚1接+5V电源，管脚2与差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1A的管脚3连接，且管脚2经第四电阻R4接模拟地；

电压基准源LM185BYH/883芯片U2的管脚1经第一电阻R1接+5V电源，且管脚1与差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1B的管脚5连接，管脚2接数字地，管脚3经第二电阻R2与管脚1连接，管脚3经第三电阻R3与数字地连接；

差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1B的管脚6与管脚7连接，管脚7经第五电阻R5与差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1A的管脚2连接，管脚2经第六电阻R6与管脚1连接，管脚4接—5V电源，—5V电源与模拟地之间并联有第一电容C1、第二电容C2，管脚8接+5V电源，+5V电源与模拟地之间并联有第四电容C4、第三电容C3，差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1A的管脚1经第七电阻R7与AD872ASD/883芯片的管脚1连接。

AD872ASD/883芯片的管脚1与模拟地之间连接有第五电容C5，管脚2经第八电阻R8接模拟地，管脚3接—5V电源，管脚4接+5V电源，管脚5接模拟地，管脚6接数字地，管脚7接+5V电源、管脚8～管脚19为AD872ASD/883芯片的数字量输出，该数字量输出给数字信号处理单元6，管脚21为数字信号处理单元6输出的时钟信号，管脚22接+5V电源，管脚23接数字地，管脚24接模拟地，管脚25接—5V电源，管脚27接模拟地，管脚26与管脚28相连，且管脚26、管脚28与模拟地之间并联有第六电容C6、第七电容C7。

本发明温度检测电路中选取的器件说明如下：

一、温度传感器

温度传感器选取AD590JF/883芯片，该AD590JF/883芯片输出为1μA/K的线性电流。此种芯片的电流输出经一电阻采样后形成电压输出。该AD590JF/883芯片集成度高、可靠性好、线性度好、工作温度范围大(-55℃～+150℃)、功耗低(1.5mWs@5V@+25℃)、输出阻抗高(>10MΩ)、可承受电压高(最大正向电压为+44V，最大反向电压为—20V)。

二、基准电压源

电压基准源采用LM185BYH/883芯片，该芯片为一微功耗、可调电压参考源，该芯片工作温度范围大(—55℃～+125℃)、动态阻抗低，温度稳定性好，低噪声和长期稳定性好，其低沟道功耗使其特别适用于微功耗电路的应用。本专利选用该芯片为温度检测电路提供了一个基准电压。该基准电压作为差分运放单元的偏置电压。

三、差分双运放

本发明中差分运放单元选取LTC1051MJ8/883芯片，该LTC1051MJ8/883芯片工作温度范围大(-55℃～+125℃)、工作噪声低(0.1Hz～10Hz条件下噪声为1.5μV_P-P)、供电电流小(1mA/Op Amp)、内部集成采样—保持电容使其能够很好的与模拟电源和数字电源相匹配，且该芯片具有二级运放功能，相对两个单运放，可以节省体积和功耗。该LTC1051MJ8/883芯片实现AD590JF/883芯片的输出电压V₁与LM185BYH/883芯片的输出参考电压V₄的差分运算放大，它的一个通路用于作为LM185BYH/883的射极跟随器，另一通路用于差分电压运算放大，以扩大温度-电压输出范围，提高温度采集精度。

四、模数转换器

本发明中模数转换单元选取AD872ASD/883芯片，该AD872ASD/883芯片工作温度范围大(-55℃～+125℃)、工作时钟可达10MSPS、带宽较宽(35MHz)、噪声低(0.26LSB rms)差分非线性误差小(0.5LSB rms)、信躁比高(68dB)。该AD872ASD/883芯片实现模拟电压信号到数字电压信号的转换，其输出数字信号将作为数字信号处理单元的输入。

Claims (5)

1、一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，其特征在于：该温度检测电路添加在温度传感器(5)与数字信号处理单元(6)之间；所述温度检测电路包括有温度-电压转换单元(1)、电压基准电源(4)、差分运放单元(2)、模数转换单元(3)；

温度-电压转换单元(1)接收温度传感器(5)探测到的温度信号T₀，并将该温度信号T₀进行温度-电压线性映射处理后输出温度-电压V₁给差分运放单元(2)；

电压基准电源(4)用于向差分运放单元(2)提供一个作为电压信息的差分放大用的基准电压V₄；

差分运放单元(2)将接收的温度-电压V₁、基准电压V₄进行电压量程范围拉伸关系处理后输出差分放大电压V_out给模数转换单元(3)；

模数转换单元(3)将接收的差分放大电压V_out转换为数字电压V_D后输出给数字信号处理单元(6)。

2、根据权利要求1所述的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，其特征在于：模数转换单元(3)为12位A/D转换器，采样电压范围为±1V。

3、根据权利要求1所述的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，其特征在于：经差分运放单元(2)放大后的电压范围根据模数转换单元(3)决定。

4、根据权利要求1所述的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，其特征在于：温度传感器(5)为1μA/K的线性电流输出，经过电阻R4采样后转换为温度-电压V₁输出，温度-电压V₁的大小由电阻R4和温度传感器(5)输出的电流I₀共同决定。

5、根据权利要求1所述的一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路，其特征在于各管脚的连接为：温度传感器AD590JF/883芯片U3的管脚1接+5V电源，管脚2与差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1A的管脚3连接，且管脚2经第四电阻R4接模拟地；电压基准源LM185BYH/883芯片U2的管脚1经第一电阻R1接+5V电源，且管脚1与差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1B的管脚5连接，管脚2接数字地，管脚3经第二电阻R2与管脚1连接，管脚3经第三电阻R3与数字地连接；差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1B的管脚6与管脚7连接，管脚7经第五电阻R5与差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1A的管脚2连接，管脚2经第六电阻R6与管脚1连接，管脚4接—5V电源，—5V电源与模拟地之间并联有第一电容C1、第二电容C2，管脚8接+5V电源，+5V电源与模拟地之间并联有第四电容C4、第三电容C3，差分双运放LTC1051MJ8/883芯片U1A的管脚1经第七电阻R7与AD872ASD/883芯片的管脚1连接；AD872ASD/883芯片的管脚1与模拟地之间连接有第五电容C5，管脚2经第八电阻R8接模拟地，管脚3接—5V电源，管脚4接+5V电源，管脚5接模拟地，管脚6接数字地，管脚7接+5V电源、管脚8～管脚19为AD872ASD/883芯片的数字量输出，该数字量输出给数字信号处理单元6，管脚21为数字信号处理单元6输出的时钟信号，管脚22接+5V电源，管脚23接数字地，管脚24接模拟地，管脚25接—5V电源，管脚27接模拟地，管脚26与管脚28相连，且管脚26、管脚28与模拟地之间并联有第六电容C6、第七电容C7。

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