CN1041234C - 电压线性化电路 - Google Patents

Abstract

电压线性化电路用于处理热电偶及热电阻的线性化，使输出电压与温度呈线性关系。输入电压经许多个线性函数发生器转变为许多个电压，经过极值选择器选出最大值或最小值组成输出电压的各线段。输出电压的每一段由依次处于最大电压或最小电压的某一个线性函数发生器提供，转换过渡平稳，线段数越多，输出电压的精度越高。极值选择器由多个输出端串接二极管的反馈运算放大器构成，线性函数发生器由3个精密电阻构成，无需调整。

Description

电压线性化电路

本发明涉及电压线性化电路特别是热电偶及热电阻测温度的电路，通过它使输出电压与温度呈线性关系。

巳知的热电偶线性化电路有：

1、非线性阻抗式，利用与电阻串接的稳压管使电阻成为非线性，多个非线性电阻构成非线性总电阻，非线性的输入信号通过非线性总电阻产生线性输出信号。这种电路由于稳压管电压不很准确及多路参数的互相影响，需要有很麻烦的调整工作。

2、双通道式，将输入信号引入两个通道，一个通道产生线性函数，另一个通道产生平方函数，再将其按一定比例叠加成为一个合适的非线性函数进行线性化。由于热电偶的分度值规律性很差，精确度不高。

3、数字存储器式，用数字存储器实现的线性化电路精度较高，但代价也是属于较高的。

本发明的目的是提供一种低成本、高精度、没有调整麻烦的电压线性化电路。

本发明的方案是用许多个线性函数发生器将输入电压转变为许多个与输入电压有线性关系的电压，经过极值选择器选出最大值或最小值组成输出电压的各线段。输出电压的每一段由依次处于最大电压或最小电压的某一个线性函数发生器提供。线段数越多，输出电压的线性误差也越小。

附图：

图1、电压线性化电路的输入电压及输出电压

图2、以输入电压为自变量的输出电压曲线。

图3、以输入电压为自变量的线性函数发生器的输出电压。

图4、以温度为自变量的线性函数发生器的输出电压。

图5、电压线性电路原理线路图。

图6、斜率曲线有一个顶点的输入电压。

图7、有两个极值选择器的电压线性化电路方框图。

图8、图7中的输出电压及线性函数发生器的输出电压。

图9、最大值选择器的原理线路图。

图10、运算放大器构成的线性函数发生器。

图11、在反馈电路中的电压线性化电路。

图12、有并联电阻的电压线性化电路。

图13、图12中的电流。

图14、作为反馈电路的有并联电阻的电压线性化电路。

图15、图14中的电流。

最佳实施例的详细说明：

1、以某种热电偶为例，自变量为温度T，因变量为电压U₁，电压U₁对于温度T为斜率逐渐增大的非线性，希望的输出电压U₂对温度T为线性，见图1。当电压U₁为自变量、输出电压U₂为因变量时，电压U₂为斜率逐渐减小的曲线，见图2。将图2中的输出电压U₂分为若干段，例如4段，则每段可视为一段直线，它们分属于电压U₁的线性函数u₁、u₂、u₃、u₄中的一段。在u₁～u₄中取出最小值，就得到构成输出电压U₂的4段直线，见图3。在自变量为温度T的座标上u₁～u₀并不是直线，而是4条其斜率逐渐增大的曲线，取出其最小值所构成的输出电压U₂是近似的直线，见图4。

产生线性函数u₁～u₄的线性函数发生器10、20、30、40各由3个星状连接的电阻构成，见图5。以线性函数发生器10为例，电阻11的第一端接公共端，电阻12的第一端接输入端子1，接受输入电压U₁，电阻13的第一端接端子2，接受偏移电压U₃，电阻11、12、13的第二端接输出端14，输出端14向最小值选择器50提供电压u₁。改变3个电阻11、12、13的阻值大小，可以改变输出电压u₁直线的斜率和纵截距，偏移电压U₃的极性决定纵截距为正值或负值。如果u₁是通过零点的直线，则电阻13的阻值将成为无穷大。其余的线性函数发生器的输出电压由各自包含的3个电阻的阻值决定。

最小值选择器50有多个运算放大器51、52、53、54，每个运算放大器的同相输入端接受一个线性函数发生器的输出电压，每个运算放大器的输出端各接二极管55、56、57、58的阴极，二极管的阳极接输出端59，每个运算放大器的反相输入端接输出端59，完成了线性化的电压U₂在输出端59输出。最小值选择器的工作原理是，当任何一个输入电压大于输出电压U₂也就是反相输入端电压时，这一个运算放大器的输出成为正值高电压，使二极管处于截止状态，这个电压对输出电压U₂没有影响。只有接受最小的输入电压的运算放大器能使二极管导通而支持输出电压U₂的建立。由于运算放大器的增益很大，二极管从截止到导通的转换不会引起输出电压U₂的扰动，所以过渡是平稳的。

对于热电阻或其他装置，只要将其输出转化为电压，就可以用本发明电压线性化电路实现线性化。

2、在图6中，当温度作为自变量时，从热电偶得到的电压U₁的曲线斜率从逐渐增大转为逐渐减小，即斜率曲线有一个顶点5时，就需要有两个极值选择器，见图7。在斜率逐渐增大的区间用最小值选择器60进行线性化，在斜率逐渐减小的区间用最大值选择器70进行线性化。如把输出电压U₂分为5段，由5个线性函数发生器110、120、130、140、150将输入电压U′₁转换为电压u₅、u₆、u₇、u₈、u₉。送进最小值选择器60输入端的u₉、u₆、u₇被选出最小值得到电压U₄；送进最大值选择器70输入端的电压U₄、u₈、u₉被选出最大值得到完成线性化的输出电压U₂。以U′₁为自变量的电压曲线U₂、u₉、u₆、u₇、u₈、u₉、U₄示于图8。以此类推，如果非线性电压的斜率曲线的顶点有两个，极值选择器就需要3个。

最大值选择器和最小值选择器的不同点是二极管的极性是相反的，最大值选择器中二极管的阳极接运算放大器的输出端，见图9。

线性函数发生器也可以用运算放大器实现，其优点为得到线性函数不一定伴随着信号的衰减而是可以有一定增益，见图10。

3、在图11中，电压线性化电路被置于主放大器90的反馈电路中时，其所有特性与前述实施例1、2相同，唯一的不同点是电压线性化电路的输入信号为已线性化的电压U₂，输出信号为非线性电压U₅，电压U₅等于主放大器90的输入电压U₁。和前述实施例一样，当输出电压对输入电压的特性曲线的斜率逐渐增大时，极值选择器80为极大值选择器，反之为极小值选择器。

4、在图12中，电压线性化电路的线性函数发生器160～190的输入端161、171、l81、191接输入端211接受非线性的输入电压U₁，极值选择器200的输出端202通过电阻201产生一个非线性的电流I₃与电压U₁通过电阻212产生的非线性的电流I₁共同经运算放大器210构成的加法电路得到线性电流I₂，在输出端214的输出电压U₂也是线性的。电流I₁、I₂、I₃示于图13。由于电流I₁只决定于电阻212的阻值，而且在电流I₂中占的比例较大，电流I₃只占一个较小的部分，这样就大为降低了对电压线性化电路输出电压精度的要求。也就是说，线性函数发生器160～190中的电阻的阻值的精度要求也将大为降低，这对降低造价非常有利。

5、在图14中，电压线性化电路被置于反馈电路中，线性函数发生器220～250的输入端221、231、241、251接输出端274，接受线性的输出电压U₂。极值选择器260的输出端262经电阻261产生一个非线性电流I′₃作为运算放大器270的反馈电流。电流I′₃与输入电压U₁通过电阻272产生的电流I′₁相加的电流I′₂是线性的，从而保证了输出电压U₂是线性。图15示出了电流I′₁、I′₂、I′₃。因为电流I′₃小于电流I′₂，同样可以达到降低对线性函数发生器中电阻阻值精度的要求。

Claims (3)

1、一种电压线性化电路由n个线性函数发生器和m+1个极值选择器构成，n为构成线性化输出电压的不连续的线段的个数，m为非线性电压的斜率曲线的顶点的个数；

极值选择器有最大值选择器和最小值选择器两种，它们包含多个运算放大器，每一个运算放大器的输出端各自接一只二极管的阳极或各自接一只二极管的阴极，接阳极的是最大值选择器，接阴极的是最小值选择器，所有上述二极管的另一极连接在输出端(59)及所有运算放大器的反相输入端，所有运算放大器的同相输入端是极值选择器的独立的输入端，它在输入端接受的多个电压中选择其中最大者(最大值选择器)或最小者(最小值选择器)输出；

n个线性函数发生器接受输入电压在输出端产生n个电压，第一极值选择器的几个输入端分别接在几个线性函数发生器的输出端，第二极值选择器的几个输入端分别接在第一极值选择器的输出端及其余若干个线性函数发生器的输出端，第m+1极值选择器的几个输入端接第m极值选择器的输出端及其余线性函数发生器的输出端，第m+1极值选择器的输出端是电压线性化电路的输出端；

最大值选择器及与其相连接的线性函数发生器用于输出电压对输入电压的特性曲线的斜率逐渐增大的线段，最小值选择器及与其相连接的线性函数发生器用于输出电压对输入电压的特性曲线的斜率逐渐减小的线段。

2、按照权利要求1所述的电压线性化电路，其特征是线性函数发生器由三个电阻构成，第一电阻的第一端接公共端，第二电阻的第一端接输入电压、第三电阻的第一端接偏移电压，三个电阻的第二端接线性函数发生器的输出端，三个电阻的阻值决定线性函数的常数。

3、按照权利要求1或2所述的电压线性化电路，其特征是电压线性化电路在实行电压线性化时并联一只分流电阻(212、273)用以减轻电压线性化电路的负担。

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