CN104748877A - 一种温度传感器的线性信号采集电路及其系统 - Google Patents

一种温度传感器的线性信号采集电路及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种温度传感器的线性信号采集电路及其系统，所述线性信号采集电路包括：分压电路、第一运算放大器、串联电压电路和差分信号滤波放大电路，所述分压电路输出设定电压至第一运算放大器的同向输入端，所述第一运算放大器的反向输入端和输出端分别连接至串联电压电路，所述串联电压电路和第一运算放大器的输出端分别连接至差分信号滤波放大电路；其中，所述串联电压电路包括NTC型的温度传感器，所述温度传感器的两端分别与第一运算放大器的反向输入端和输出端相连接。本发明可以有效的把温度传感器的采样电压输出予以线性化，输出电压可以直接与温度传感器的电阻值成线性化，便于后续MCU的运算和控制,减小计算量，节约计算空间。

Description

一种温度传感器的线性信号采集电路及其系统
技术领域
本发明涉及一种线性信号采集电路，尤其涉及一种温度传感器的线性信号采集电路，并涉及采用了该温度传感器的线性信号采集电路的线性信号采集系统。
背景技术
在新能源车辆的温度信号采集领域，一般都需要各种检测零部件的温度信号，如功率器件的温度、散热器的温度和电机的温度等等，用于电机控制器系统的信号检测和控制；而现在市面上，考虑到成本和实际工作环境原因，温度信号的检测和测试一般都采用NTC型的温度传感器，但是由于NTC传感器本身的温度-电阻特性的范围太宽广，从而决定了其采样精度范围比较差。
现有温度传感器电路的非线性原因分析如下：
1)NTC型的温度传感器，就目前所了解的来说，热量Q和温度T'之间的数学关系很复杂，绝非线性关系，就目前使用得最多的负温度系数(NTC)型温度传感器来说，温度T'和温度传感器的电阻RT'间的数学关系式如下：RT'＝R0'*(1+(A*T')+(B*(T')2)-(100*C*(T')3)+(C*(T')4))，从这个数学关系式可以知道，NTC型的温度传感器的温度T'和电阻RT'绝非简单的数学式，也不是线性关系。其中，R0'表示这个温度传感器在0℃时候对应输出的电阻值；T'就是对应的温度℃；RT'就是在温度T'℃对应的电阻值；A、B和C就是上述公式中的常数值，很复杂，所述温度T'和温度传感器的电阻RT'之间的关系通过图形表述如图1所示。
该图1只是采用图形的方式把上述数学关系式表示出来了，不代表具体的数学关系式，只是代表一个趋势图。
2)现有电路说明，一般来说，现有的温度传感器信号采集电路如图2所示，NTC型的温度传感器RT'、电阻R1'、电阻R2'和电源VCC'组成串联电路，电阻RT'点的分压电压U0'为：上述图2中，R1'和R2'在实际应用中就是一个固定的电阻值，是一个具体的电阻值，在具体的电路中，可以理解为常数电阻值，但是不同的使用场合，可以更改参数；VCC'就是传感器的供电电源，我们一般使用5V或12V等；U0'就表示上述电阻的分压电阻的电压输出。
显然在实际应用中，图2中的R1'、R2'和VCC'均为常值，那么，变量RT'和U0'的关系曲线如图3的曲线2所示，即非线性电压输出V0'。
这样，从上述分析，我们可以发现，外界温度和温度传感器的输出电阻RT'之间本来就是非线性，而且变化率非常大，我们暂时无法更改其特性；其中，Umax表示U0'的最大输出电压，一般小于VCC'值；Umin表示U0'的最小输出电压。
上述图3只是表示U0'的输出示意图，不表示实际的电阻和电压输出关系图；因为每种NTC温度传感器的参数会有差异，而且和电路参数有关，但是变化趋势一般是这样。
同时，图3中的曲线2的采样电路，不管怎么调节R1'和R2'，都是一个非线性的或者反比例函数，都将导致后续的MCU计算非常复杂，或者说只能采用数值查表的方法，将会占用很多MCU的计算资源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够将温度传感器电路的采样电压输出予以线性化的线性信号采集电路，便于后续MCU的运算和控制,减小MCU的计算量，节约计算空间。
对此，本发明提供一种温度传感器的线性信号采集电路，包括：分压电路、第一运算放大器、串联电压电路和差分信号滤波放大电路，所述分压电路输出设定电压至第一运算放大器的同向输入端，所述第一运算放大器的反向输入端和输出端分别连接至串联电压电路，所述串联电压电路和第一运算放大器的输出端分别连接至差分信号滤波放大电路；其中，所述串联电压电路包括NTC型的温度传感器，所述温度传感器的两端分别与第一运算放大器的反向输入端和输出端相连接。
本发明的进一步改进在于，所述分压电路包括相互串联的电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端连接至电源VCC，所述电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电阻R1和电阻R2的中间输出设定电压UR至第一运算放大器的同向输入端。
本发明的进一步改进在于，所述串联电压电路包括温度传感器RT和电阻R4，所述第一运算放大器的输出端连接至温度传感器RT的一端，所述温度传感器RT的一端连接至差分信号滤波放大电路；所述第一运算放大器的反向输入端连接至温度传感器RT的另一端，所述温度传感器RT的另一端通过电阻R4接地。
本发明的进一步改进在于，所述差分信号滤波放大电路包括电阻R5、电阻R6、第二运算放大器和电阻R8，所述第一运算放大器的输出端与电阻R5的一端相连接，所述电阻R5的另一端分别连接至第二运算放大器的同向输入端和电阻R6，所述电阻R6接地，所述电阻R8的两端分别与第二运算放大器的反向输入端和输出端相连接。
本发明的进一步改进在于，还包括电阻R7，所述电阻R7的两端分别与第一运算放大器的正向输入端和第二运算放大器的反向输入端相连接。
本发明的进一步改进在于，所述电阻R1和电阻R2的阻值之和等于电阻R7的阻值。
本发明的进一步改进在于，所述电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均相等。
本发明的进一步改进在于，所述电阻R1的阻值为9kΩ，所述电阻R2的阻值为1kΩ，所述电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均为10kΩ。
本发明的进一步改进在于，所述电阻R4的阻值为1kΩ。
本发明还提供一种温度传感器的线性信号采集系统，所述线性信号采集系统采用了上述的温度传感器的线性信号采集电路，还包括电压信号滤波电路和MCU处理模块，将外界的温度信号通过温度传感器输出电阻信息至所述线性信号采集电路，所述线性信号采集电路把电阻信号转化为电压信号，然后经过电压信号滤波电路处理后，送至MCU处理模块，经过MCU处理模块的AD转化和计算后，输出控制信号以实现电机控制器的温度控制和保护功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：可以有效的把温度传感器的采样电压输出予以线性化，输出电压可以直接与温度传感器的电阻值成线性化，成正比例函数输出，本发明所述的线性信号采集电路的结构简单，便于后续MCU的运算和控制,减小MCU的计算量，节约计算空间。
附图说明
图1是现有技术中环境温度和温度传感器输出电阻的关系曲线示意图；
图2是现有技术中温度传感器的非线性信号采集电路图；
图3是现有技术中温度传感器输出电阻与电路电压输出的关系曲线示意图；
图4是本发明一种实施例的线性信号采集电路图；
图5是本发明一种实施例的带有参数的线性信号采集电路图；
图6是本发明另一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1：
如图1所示，本例提供一种温度传感器的线性信号采集电路，包括：分压电路、第一运算放大器、串联电压电路和差分信号滤波放大电路，所述分压电路输出设定电压至第一运算放大器的同向输入端，所述第一运算放大器的反向输入端和输出端分别连接至串联电压电路，所述串联电压电路和第一运算放大器的输出端分别连接至差分信号滤波放大电路；其中，所述串联电压电路包括NTC型的温度传感器，所述温度传感器的两端分别与第一运算放大器的反向输入端和输出端相连接。
如图1所示，本例所述分压电路包括相互串联的电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端连接至电源VCC，所述电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电阻R1和电阻R2的中间输出设定电压UR至第一运算放大器的同向输入端。
所述串联电压电路包括温度传感器RT和电阻R4，所述第一运算放大器的输出端连接至温度传感器RT的一端，所述温度传感器RT的一端连接至差分信号滤波放大电路；所述第一运算放大器的反向输入端连接至温度传感器RT的另一端，所述温度传感器RT的另一端通过电阻R4接地，即所述第一运算放大器的反向输入端连接至温度传感器RT和电阻R4的中间，所述电阻R4接地。
所述差分信号滤波放大电路包括电阻R5、电阻R6、第二运算放大器和电阻R8，所述第一运算放大器的输出端与电阻R5的一端相连接，所述电阻R5的另一端分别连接至第二运算放大器的同向输入端和电阻R6，所述电阻R6接地，所述电阻R8的两端分别与第二运算放大器的反向输入端和输出端相连接。
还包括电阻R7，所述电阻R7的两端分别与第一运算放大器的正向输入端和第二运算放大器的反向输入端相连接。
NTC型的温度传感器本身的特性，我们无法更改，也没有更经济的其他类型的温度传感器可替换，为此我们就提出了一种针对NTC型的温度传感器的线性信号采集电路。
本例的电路简单实用，可以有效的把温度传感器的采样电压输出予以线性化，输出电压可以直接与温度传感器的电阻值成线性化，成正比例函数输出，其线性信号采集电路简单有效，便于后续MCU的运算和控制,减小MCU的计算量，节约计算空间。
具体描述如下：电阻R1和电阻R2串联组成分压电路，输出设定电压UR。温度传感器RT和电阻R4组成串联电压电路，然后在经过包括第二运算放大器的差分信号滤波放大电路，最后到输出，电压信号从温度传感器RT流向电阻R5，再从电阻R5流向第二运算放大器的同向输入端。其中，VCC、+Vss和-Vss可以为外界给定，也可以由其他电路参数，这二者之间可以相互关联，也可以不关联。
具体的推导过程如下：(1)其中，R1和R2分别表示电阻R1和电阻R2的阻值，用于分别表示固定电阻值；VCC表示固定电源VCC的电压值，一般为5V、10V、12V或15V几种。
(2)U1＝UR，所述U1和UR分别用于表示第一运算放大器的同向输入端和反向输入端的电压值。
(3)其中，R4表示电阻R4的固定电阻值。U3＝U4，所述U3和U4分别用于表示第二运算放大器的同向输入端和反向输入端的电压值；所述U2表示第一运算放大器的输出端的电压；RT表示温度传感器RT的阻值。
(4)U3表示第二运算放大器的同向输入端的电压值；R5和R6分别表示电阻R5和电阻R6的阻值。
(5) U R - U 4 R 7 = U 4 - U 0 R 8 → U 0 = ( R 7 + R 8 ) * U 3 - U R * R 8 R 7 . 其中，R7和R8分别用于表示电阻R7和电阻R8的固定电阻值；U4表示第二运算放大器的反向输入端的电压值；U0表示第二运算放大器的输出端的电压值。
(6)
U 0 = ( R 6 R 5 + R 6 ) * ( R 2 R 1 + R 2 ) * V CC * ( R T R 4 + 1 ) * ( R 7 + R 8 R 7 ) + ( R 2 R 1 + R 2 ) * V CC * ( R 8 R 7 ) .
考虑到实际工程应用，我们可以取如下条件，R1+R2＝R7和R5＝R6＝R7＝R8，即所述电阻R1和电阻R2的阻值之和等于电阻R7的阻值，所述电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均相等。
其中，VCC为固定电源，如10V，为外部电源+Vss、-Vss产生。
因此，将(6)的公式进行简化计算后，最终为：(7)
从上述公式可知，很显然，从(7)的公式明显的可以看出，温度传感器的输入RT和电路的输出电压U0是线性关系，而且是可以调节参数变化。
变化系数的调节就VCC和R7的参数，在设置参数的过程中，电阻R、VCC等必须和NTC温度传感器的温度-电阻特性曲线匹配，需要满足运算放大器和温度传感器的一定的电气参数。
假设本例所述电阻R1的阻值为9kΩ，所述电阻R2的阻值为1kΩ，所述电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均为10kΩ，所述电阻R4的阻值为1kΩ，那么，可以得到U0＝0.001*RT。
实施例2：
如图6所示，本例还提供一种温度传感器的线性信号采集系统，所述线性信号采集系统采用了实施例1所述的温度传感器的线性信号采集电路，还包括电压信号滤波电路和MCU处理模块，将外界的温度信号通过温度传感器输出电阻信息至所述线性信号采集电路，所述线性信号采集电路把电阻信号转化为电压信号，然后经过电压信号滤波电路处理后，送至MCU处理模块，经过MCU处理模块的AD转化和计算后，输出控制信号以实现电机控制器的温度控制和保护功能。所述外界的温度信号包括电机绕组温度、散热器温度和IGBT温度等等。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，包括：分压电路、第一运算放大器、串联电压电路和差分信号滤波放大电路，所述分压电路输出设定电压至第一运算放大器的同向输入端，所述第一运算放大器的反向输入端和输出端分别连接至串联电压电路，所述串联电压电路和第一运算放大器的输出端分别连接至差分信号滤波放大电路；其中，所述串联电压电路包括NTC型的温度传感器，所述温度传感器的两端分别与第一运算放大器的反向输入端和输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述分压电路包括相互串联的电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端连接至电源VCC，所述电阻R1的另一端与电阻R2的一端相连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电阻R1和电阻R2的中间输出设定电压UR至第一运算放大器的同向输入端。
3.根据权利要求2所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述串联电压电路包括温度传感器RT和电阻R4，所述第一运算放大器的输出端连接至温度传感器RT的一端，所述温度传感器RT的一端连接至差分信号滤波放大电路；所述第一运算放大器的反向输入端连接至温度传感器RT的另一端，所述温度传感器RT的另一端通过电阻R4接地。
4.根据权利要求3所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述差分信号滤波放大电路包括电阻R5、电阻R6、第二运算放大器和电阻R8，所述第一运算放大器的输出端与电阻R5的一端相连接，所述电阻R5的另一端分别连接至第二运算放大器的同向输入端和电阻R6，所述电阻R6接地，所述电阻R8的两端分别与第二运算放大器的反向输入端和输出端相连接。
5.根据权利要求4所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，还包括电阻R7，所述电阻R7的两端分别与第一运算放大器的正向输入端和第二运算放大器的反向输入端相连接。
6.根据权利要求5所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述电阻R1和电阻R2的阻值之和等于电阻R7的阻值。
7.根据权利要求5所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均相等。
8.根据权利要求5至7任意一项所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述电阻R1的阻值为9kΩ，所述电阻R2的阻值为1 kΩ，所述电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的阻值均为10 kΩ。
9.根据权利要求8所述的温度传感器的线性信号采集电路，其特征在于，所述电阻R4的阻值为1 kΩ。
10.一种温度传感器的线性信号采集系统，其特征在于，采用了如权利要求1至9任意一项所述的温度传感器的线性信号采集电路，还包括电压信号滤波电路和MCU处理模块，将外界的温度信号通过温度传感器输出电阻信息至所述线性信号采集电路，所述线性信号采集电路把电阻信号转化为电压信号，然后经过电压信号滤波电路处理后，送至MCU处理模块，经过MCU处理模块的AD转化和计算后，输出控制信号以实现电机控制器的温度控制和保护功能。
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