CN105573365A - 一种星载铷钟的控温电路 - Google Patents

Abstract

一种星载铷钟的控温电路，本控温电路通过对温度电压信号的精确采样，将采样后的温度电压信号与电压比较电路中实时产生的参考信号进行比较，通过参考电压的实时选择，将上述比较后的信号范围限定在每个量化区域，然后将比较后的信号进行放大(增益大小与选择开关数量一致)，放大后的电压信号正好处于A/D采样的全量程电压范围内，然后MCU对A/D数据进行接收、扩展A/D采样位数，MCU每采样一次数据后，MCU需要实时控制电压比较电路，重新选择合适的开关，然后再进行下一次数据采样，同时基于扩展后的数据，MCU应用数字控制算法(PID)通过加热驱动电路实现高精度温度控制。

Description

一种星载铷钟的控温电路

技术领域

本发明涉及一种星载铷钟控温电路，属于卫星导航技术领域。

背景技术

星载铷钟作为导航卫星的关键单机，产品的性能指标将直接决定卫星导航的精度范围，星载铷钟的性能至关重要。

星载铷钟产品受温度影响很大，对于卫星应用需求的不断提高，更高指标星载铷钟工程需求更加迫切，随着产品指标越来越高，温度影响极其敏感，温度变化将严重影响高指标星载铷钟的10MHz输出频率，对整机长期的频率稳定度影响十分重要。

目前星载铷钟产品采用一般模拟的控温电路方式，该电路方式存在控温精度有限、控温范围不宽、控温灵敏度不高的问题，但随着卫星导航技术的不断发展，卫星对星载铷钟产品的要求越来越高，星载铷钟产品的精确控温能力将是制约产品性能指标的重要因素之一。

基于现有的条件，控温方式采用(模拟+数字电路)的方式，存在以下瓶颈问题，现有的宇航级A/D芯片最高位为14位(实际有效位小于14位)，无法满足控温精度要求，只有当A/D芯片最高位达到16位，才能通过采用模拟电路+数字电路的方式达到精确控温的能力要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种星载铷钟控温电路及控温方法，即使采用一般位数(12位)的宇航级A/D芯片也能实现精确控温的目的，解决由于宇航级A/D芯片位数限制，而不能实现更高指标铷钟产品精确控温的技术瓶颈。

本发明的技术解决方案是：

一种星载铷钟的控温电路，包括：热敏电阻Rt、A/D、D/A、电压选择电路、加热驱动电路、MCU、运放N1、N2、N3和N4；

热敏电阻Rt敏感星载铷钟的温度，得出的温度电压信号通过运放N1跟随之后输出到运放N3，电压选择电路输出的比较电压通过运放N2跟随之后输出到运放N3，运放N3进行相减操作后得到Vsi_cmp，再通过运放N4进行放大，放大后的信号进行A/D采样，MCU根据A/D采样的输出信号控制电压选择电路的输出，同时，MCU还对A/D采样的输出信号进行扩展，扩展后的信号通过PID控温算法进行处理，再通过D/A输出到加热驱动电路对星载铷钟进行温度控制。

所述电压选择电路中有并行的k路支路，每个支路均包括一个选通开关和与选通开关匹配的电阻，选通开关为si，i＝1,2,…k，当开关si选通时，电压选择电路对应输出的比较电压Vsi＝2.5/k*i*1V。

所述运放N3进行相减操作具体为：将电压选择电路中选通开关si对应的输出电压Vsi＝2.5/k*i*1V与热敏电阻Rt敏感的温度电压进行求差值，得到Vsi_cmp。

通过运放N4进行放大时，运放N4的放大增益与电压选择电路中选通开关数目相同，均为k。

所述MCU根据A/D采样的输出信号控制电压选择电路的输出，具体为：

开关初始工作时，将开关s1选通，如果Vsi电压与热敏电阻敏感的温度电压的差值Vsi_cmp≤2.5/k*1V，则MCU将开关si选通；

如果Vsi选通时，Vsi_cmp>2.5/k*1V或者Vsi_cmp<0V时，则将选通开关改变为i-1或者i+1，然后再进行比较，直到开关j时，Vsj_cmp≤2.5/k*1V,则将此时的开关选通为sj，j＝1,2,…k。

所述MCU对A/D采样的输出信号进行扩展具体为：

扩展后的温度电压信号的实际值为：i*2¹²-(Vsi_cmp)_A/D，其中，(Vsi_cmp)_A/D为经过放大和A/D处理之后的Vsi_cmp，MCU对A/D采样的输出信号扩展了m位，2^m＝k。

所述D/A采用宇航级的16位芯片。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用一般位数(12位)的宇航级A/D芯片也能实现精确控温的目的，解决由于宇航级A/D芯片位数限制，而不能实现更高指标铷钟产品精确控温的技术瓶颈。

(2)本发明中扩展A/D芯片的方法和思路，同样可以应用于其他需要扩展分辨位数的电路。

附图说明

图1本发明电路原理图；

图2MCU控制电压选择电路的逻辑示意图；

图3电压选择电路原理图；

图4电压量化区域(k＝16)；

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种星载铷钟的控温电路，包括：热敏电阻Rt、A/D、D/A、电压选择电路、加热驱动电路、MCU、运放N1、N2、N3和N4；

热敏电阻Rt敏感星载铷钟的温度，得出的温度电压信号通过运放N1跟随之后(N1输出)输出到运放N3，电压选择电路输出的比较电压通过运放N2跟随之后(N2输出)输出到运放N3，运放N3进行相减操作后得到Vsi_cmp(N3输出)，再通过运放N4进行放大，放大后的信号(N4输出)进行A/D采样，MCU根据A/D采样的输出信号控制电压选择电路的输出，保证温度电压信号处于电压量化区域(图4)，同时，MCU还对A/D采样的输出信号进行扩展，扩展后的信号通过PID控温算法进行处理，再通过D/A输出到加热驱动电路对星载铷钟进行温度控制，最后达到精确控温的目的。

1、温度电压获取电路；

为了保证温度电压获取电路的准确性，该部分电路供电电源Vref首先需要进行稳压，热敏电阻Rt与精密电阻R1进行分压，分压结果通过跟随器N1输出。

2、电压选择电路；

电压选择电路作为关键电路，由MCU根据A/D采样情况进行判断，控制电压选择电路中相应开关，开关选通后可以提供对应的参考电压。该参考电压保证与实测电压差值在一个量化区域里。

如图3所示，由于A/D采样芯片电压范围为0～2.5V，如果将电压0～2.5V等分为k份(每一份就是一个量化区域)，电压依次为2.5/k*1V,2.5/k*2V,2.5/k*3V,…2.5/k*(k-1)V,2.5/k*kV；电压选择电路中需要提供上述电压值，电压选择电路中有并行的k路支路，每个支路均包括一个选通开关和与选通开关匹配的电阻，设置k个选通开关s1,s2…sk-1,sk,确保每个开关si(i＝1,2,…k)选通时，对应输出的参考电压为2.5/k*i*1V。MCU通过开关选通控制算法实现对开关的控制。

3、相减电路；

将电压选择电路中选通开关si对应的输出电压Vsi＝2.5/k*i*1V与热敏电阻Rt敏感的温度电压进行求差值，得到Vsi_cmp，这样差值大小范围就在一个量化区域内，如果开关si选择不恰当，将出现差值绝对值大小超出量化区域值。

4、放大电路；

放大电路的功能就是将相减电路的输出信号进行放大，放大增益为k(必须与电压选择电路中所用开关数目相同)。

5、A/D采样电路；

利用现有A/D芯片实现对放大后输出信号进行采样，如果选通开关si选择不当，A/D芯片会出现溢出信号，该信号将输入给MCU，MCU根据开关选通算法，选出合适的开关，保证信号差值在一个量化区域。

6、MCU控制电路；

如图2所示，MCU控制部分主要由单片集成电路构成，开关选通控制算法工作情况如下：开关初始工作时，s1开关选通，如果Vs1电压与热敏电阻相关的温度电压的差值Vs1_cmp≤2.5/k*1V(量化区域)，则将开关s1选通，MCU接收A/D数据。同理：当Vsi选通时，Vsi_cmp≤2.5/k*1V则选择si开关选通，接收A/D数据。如果Vsi选通时，Vsi_cmp>2.5/k*1V或者Vsi_cmp<0V时，则需要将选通开关改变为i-1或者i+1，然后再进行比较，同理，直到选通开关j时，Vsj_cmp≤2.5/k*1V,则将此时的开关选通为sj。开关选择恰当后，MCU则将A/D输出的信号接收、存储，同时保证记录此时的开关si编号。MCU对A/D采样的输出信号进行扩展，即得到温度电压信号的实际值为：

i*2¹²-(Vsi_cmp)_A/D

其中，(Vsi_cmp)_A/D为经过放大和A/D处理之后的Vsi_cmp，可见A/D芯片扩展了m位(2^m＝k)。MCU将扩展后的数据存储后，根据数字控制算法完成对D/A芯片的输入控制。

7、D/A电路、加热驱动电路；

D/A芯片采用宇航级的16位芯片，16位数字信号通过D/A转换为最终的模拟信号，该模拟信号作为加热驱动电路的输入信号，完成加热控制，实现精确控温。

本发明控温电路就是通过对温度电压信号的精确采样，将采样后的温度电压信号与电路实时产生的参考信号进行比较，将两者的比较后的压差信号进行放大后，放大后的电压信号正好处于A/D采样的全量程电压范围内，然后MCU对数据进行接收、扩展A/D采样位数，基于扩展后的数据，应用数字控制算法实现高精度温度控制。

采用该电路可以实现宇航级应用产品的高精度的温度控制，同时该电路可以根据需要进行适应性修改，例如：可以考虑改变开关数目，达到不同的控温精度要求，或者将比较电压进行非线性化输出，实现对全工作温度范围内的不同精度要求的控制。

实施例：

本发明给出一种具体的星载铷钟控温电路的实现形式：该电路包括：电阻R1-R8、热敏电阻Rt、A/D、D/A、电压选择电路、加热驱动电路、MCU、运放N1、N2、N3和N4；

参考电压Vref通过电阻R1连接到运放N1的正端，同时热敏电阻Rt的的一端接地，另一端连接运放N1的正端，运放N1的输入负端与输出端连接在一起，运放N1的输出端通过电阻R2接地，同时，运放N1的输出端还连接到运放N3的输入负端，运放N3的输入负端通过电阻R3与运放N3的输出端连接，运放N3的输出端连接到运放N4的输入正端；

参考电压Vref通过电阻R4连接到运放N2的输入正端，电压选择电路的输出也连接到运放N2的输入正端，运放N2的输入负端与输出端连接，且运放N2的输出端通过电阻R5连接到运放N3的输入正端，运放N3的输入正端还通过电阻R6接地。

运放N4的输入负端通过电阻R7连接到运放N4的输出端，同时，运放N4的输入负端还通过电阻R8接地，运放N4的输出端连接到A/D,A/D的输出送入MCU。

下面给出电路中元器件的型号以及典型值：

热敏电阻Rt：MF51-3500-10K；

R1：阻值20K；

R2～R8固定电阻，具体阻值根据电路可得；

N1～N4：OP27；

电压选择电路：采用16个选择开关，实现在原有基础上扩展4位分辨率；选择电路中开关对应的阻值，按照电阻分压原理和每路输出电压值可以确定。

A/D芯片：B9243；

D/A芯片：B9726；

MCU集成电路：80C32E处理器；

加热驱动电路：功率三极管、电阻、电容、加热片组成。

Claims (7)

1.一种星载铷钟的控温电路，其特征在于包括：热敏电阻Rt、A/D、D/A、电压选择电路、加热驱动电路、MCU、运放N1、N2、N3和N4；

热敏电阻Rt敏感星载铷钟的温度，得出的温度电压信号通过运放N1跟随之后输出到运放N3，电压选择电路输出的比较电压通过运放N2跟随之后输出到运放N3，运放N3进行相减操作后得到Vsi_cmp，再通过运放N4进行放大，放大后的信号进行A/D采样，MCU根据A/D采样的输出信号控制电压选择电路的输出，同时，MCU还对A/D采样的输出信号进行扩展，扩展后的信号通过PID控温算法进行处理，再通过D/A输出到加热驱动电路对星载铷钟进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种星载铷钟的控温电路，其特征在于：所述电压选择电路中有并行的k路支路，每个支路均包括一个选通开关和与选通开关匹配的电阻，选通开关为si，i＝1,2,…k，当开关si选通时，电压选择电路对应输出的比较电压Vsi＝2.5/k*i*1V。

3.根据权利要求1所述的一种星载铷钟的控温电路，其特征在于：所述运放N3进行相减操作具体为：将电压选择电路中选通开关si对应的输出电压Vsi＝2.5/k*i*1V与热敏电阻Rt敏感的温度电压进行求差值，得到Vsi_cmp。

4.根据权利要求1所述的一种星载铷钟的控温电路，其特征在于：通过运放N4进行放大时，运放N4的放大增益与电压选择电路中选通开关数目相同，均为k。

5.根据权利要求1所述的一种星载铷钟的控温电路，其特征在于：所述MCU根据A/D采样的输出信号控制电压选择电路的输出，具体为：

开关初始工作时，将开关s1选通，如果Vsi电压与热敏电阻敏感的温度电压的差值Vsi_cmp≤2.5/k*1V，则MCU将开关si选通；

如果Vsi选通时，Vsi_cmp>2.5/k*1V或者Vsi_cmp<0V时，则将选通开关改变为i-1或者i+1，然后再进行比较，直到开关j时，Vsj_cmp≤2.5/k*1V,则将此时的开关选通为sj，j＝1,2,…k。

6.根据权利要求1所述的一种星载铷钟的控温电路，其特征在于：所述MCU对A/D采样的输出信号进行扩展具体为：

扩展后的温度电压信号的实际值为：i*2¹²-(Vsi_cmp)_A/D，其中，(Vsi_cmp)_A/D为经过放大和A/D处理之后的Vsi_cmp，MCU对A/D采样的输出信号扩展了m位，2^m＝k。

7.根据权利要求1所述的一种星载铷钟的控温电路，其特征在于：所述D/A采用宇航级的16位芯片。