CN109343606B - 一种分离补偿温控装置 - Google Patents

一种分离补偿温控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分离补偿温控装置。该装置包括温度传感电路、分离驱动电路以及校准电路，其中：温度传感电路，采用温度传感器测量外界温度变化，将温度的变化转换为电压信号的变化，并通过减法电路调节温补零点；分离驱动电路，将温度传感电路输出的电压信号进行驱动放大，然后分别接入两只方向相反的二极管，将高温状态和低温状态的电压分离后输出；校准电路，将高温状态、低温状态的电压二者相加合成，相加合成的电压一方面与一个分压网络输出的可调节电压正向相加、另一方面与另一个分压网络输出的可调节电压反向相加；通过调节分压网络，进行常温归零校正。本发明具有温度调节范围大、温度分辨率高、高低温分离调节的优点，应用前景广阔。

Description

一种分离补偿温控装置
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别是一种分离补偿温控装置。
背景技术
零点漂移是电子电路中普遍存在的一个现象，工作于宽温区(-40～+85℃)的电子部件尤其需要精密的零点漂移温度补偿技术。对于高温和低温区温度特性一致的电子部件，其零点漂移可以通过温度传感器加以消除；但是对于高温区和低温区温度斜率不一致的情况，传统的零点漂移抑制技术就无法满足设计要求。
分离补偿温控技术是一种应用于消除直流信号零点漂移的温度补偿技术。描述这种技术的主要指标有：1)补偿电压峰峰值：120mV；2)典型温度斜率：15mV/℃(高低温可分别调节)；3)补偿范围:>2.5V；4)工作温度范围：-40～+85℃；5)尺寸:(长)25mm×(宽)15mm×(高)5mm。现有同类型的产品，存在的缺点有：1)工作温度范围小，一般为-30～+60℃；2)补偿范围小，一般为1V左右；3)高温区和低温区只能统一斜率，对于高低温斜率不一致无法实现分离补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温度范围宽、补偿范围大、电路尺寸小的分离补偿温控装置。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种分离补偿温控装置，包括温度传感电路、分离驱动电路以及校准电路，其中：
所述温度传感电路，采用温度传感器测量外界温度变化，将温度的变化转换为电压信号的变化，并通过减法电路调节温补零点；
所述分离驱动电路，接收温度传感电路输出的电压信号，将该电压信号进行驱动放大，放大之后的电压信号分别接入两只方向相反的二极管，将高温状态和低温状态的电压分离后输出；
所述校准电路，接收分离驱动电路输出的高温状态、低温状态的电压，并将二者相加合成，相加合成的电压一方面与一个分压网络输出的可调节电压正向相加、另一方面与另一个分压网络输出的可调节电压反向相加；通过调节分压网络，进行常温归零校正。
作为一种具体示例，所述温度传感电路包括温度传感器、双刀双掷开关、第一运算放大器以及第一～六电阻；
温度传感器将温度信息转换成电压VT0并输出，该输出端顺次通过第五电阻、第六电阻接地，第五电阻、第六电阻的公共端通过双刀双掷开关接入第一运算放大器的同相输入端；
第一电阻、第二电阻、第三电阻三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VD，第一电阻的另一端接参考电压VR1，第二电阻的另一端接地GND，第三电阻的另一端一方面通过双刀双掷开关接入第一运算放大器的反相输入端、另一方面通过第四电阻接入第一运算放大器的输出端，第一运算放大器输出电压VT1。
作为一种具体示例，所述分离驱动电路包括第二～四运算放大器、第一～二二极管和第七～十二电阻；
温度传感电路输出的电压VT1接入第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端一方面通过第七电阻接地、另一方面通过第八电阻接入第二运算放大器的输出端；第二运算放大器输出的电压VT1S分别接入第一二极管的负极和第二二极管的正极，第一二极管的正极接入第三运算放大器的同相输入端，第二二极管的负极接入第四运算放大器的同相输入端；第三运算放大器的反相输入端一方面通过第十电阻接地、另一方面通过第九电阻接入第三运算放大器的输出端；第四运算放大器的反相输入端一方面通过第十二电阻接地、另一方面通过第十一电阻接入第四运算放大器的输出端；第三运算放大器输出高温状态的电压VT2，第四运算放大器输出低温状态的电压VT3。
作为一种具体示例，所述校准电路包括第五运算放大器、第十三～二十一电阻；
驱动电路输出的高温状态的电压VT2、低温状态的电压VT3分别通过第十五电阻、第十六电阻接入第五运算放大器的同相输入端；
第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VF2，第十九电阻的另一端接地，第十八电阻的另一端接参考电压VR2，第十七电阻的另一端接入第五运算放大器的同相输入端，参考电压VR2通过第十八电阻、第十九电阻形成的分压网络，获得能够调节的电压VF2；
第十三电阻、第二十电阻、第二十一电阻三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VF3，第二十电阻的另一端接地，第二十一电阻的另一端接参考电压VR3，第十三电阻的另一端接入第五运算放大器的反相输入端，参考电压VR3通过第二十电阻、第二十一电阻形成的分压网络，获得能够调节的电压VF3；第五运算放大器的反向输入端通过第十四电阻与输出端之间连接；
通过调节分压网络，第五运算放大器输出的温补电压VT校正归零并作为最终输出。
作为一种具体示例，所述温度传感器的型号为TMP36，温度传感器在常温25℃的输出电压为750mV，第一电阻、第二电阻组成的分压网络将+5V的参考电压VR1分压至750mV的电压VD，将温度传感器的输出电压与电压VD相减，使温补电压在常温25℃下校正至±10mV以内，实现常温校正归零。
作为一种具体示例，所述分离驱动电路中，当温度高于25℃时，电压VT1S为正，通过第二二极管输出至第四运算放大器；当温度低于25℃时，电压VT1S为负，通过第一二极管输出至第三运算放大器；第三运算放大器和第四运算放大器分别调节放大倍数，使通过二极管实现分离输出的高温状态的电压VT2和低温状态的电压VT3具有不同的温度斜率，并输出至校准电路。
作为一种具体示例，所述温度传感电路中，将第一运算放大器的输入信号反接，即将温度传感器的输出接入第一运算放大器的反相输入端，将参考电压VR1接入第一运算放大器的同相输入端，即可实现温度斜率的反转，用于逆向温漂系统的温度补偿。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)通过温度传感电路、分离驱动电路以及校准电路组成，实现了高温和低温的分离独立补偿，可以分别对高温区和低温区的温度斜率做不同的补偿；(2)温度补偿范围宽，达到-40～+85℃；补偿精度高，误差小于±2℃。
附图说明
图1为本发明分离补偿温控装置的电路结构示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明分离补偿温控装置，包括温度传感电路、分离驱动电路以及校准电路，其中：
所述温度传感电路，采用温度传感器测量外界温度变化，将温度的变化转换为电压信号的变化，并通过减法电路调节温补零点；
所述分离驱动电路，接收温度传感电路输出的电压信号，将该电压信号进行驱动放大，放大之后的电压信号分别接入两只方向相反的二极管，将高温状态和低温状态的电压分离后输出；
所述校准电路，接收分离驱动电路输出的高温状态、低温状态的电压，并将二者相加合成，相加合成的电压一方面与一个分压网络输出的可调节电压正向相加、另一方面与另一个分压网络输出的可调节电压反向相加；通过调节分压网络，进行常温归零校正。
作为一种具体示例，所述温度传感电路包括温度传感器S1、双刀双掷开关U6、第一运算放大器U1以及第一～六电阻R1～R6；
温度传感器S1将温度信息转换成电压VT0并输出，该输出端顺次通过第五电阻R5、第六电阻R6接地，第五电阻R5、第六电阻R6的公共端通过双刀双掷开关U6接入第一运算放大器U1的同相输入端；
第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VD，第一电阻R1的另一端接参考电压VR1，第二电阻R2的另一端接地GND，第三电阻R3的另一端一方面通过双刀双掷开关U6接入第一运算放大器U1的反相输入端、另一方面通过第四电阻R4接入第一运算放大器U1的输出端，第一运算放大器U1输出电压VT1。
作为一种具体示例，所述分离驱动电路包括第二～四运算放大器U2～U4、第一～二二极管D1、D2和第七～十二电阻R7～R12；
温度传感电路输出的电压VT1接入第二运算放大器U2的同相输入端，第二运算放大器U2的反相输入端一方面通过第七电阻R7接地、另一方面通过第八电阻R8接入第二运算放大器U2的输出端；第二运算放大器U2输出的电压VT1S分别接入第一二极管D1的负极和第二二极管D2的正极，第一二极管D1的正极接入第三运算放大器U3的同相输入端，第二二极管D2的负极接入第四运算放大器U4的同相输入端；第三运算放大器U3的反相输入端一方面通过第十电阻R10接地、另一方面通过第九电阻R9接入第三运算放大器U3的输出端；第四运算放大器U4的反相输入端一方面通过第十二电阻R12接地、另一方面通过第十一电阻R11接入第四运算放大器U4的输出端；第三运算放大器U3输出高温状态的电压VT2，第四运算放大器U4输出低温状态的电压VT3。
作为一种具体示例，所述校准电路包括第五运算放大器U5、第十三～二十一电阻R13～R21；
驱动电路输出的高温状态的电压VT2、低温状态的电压VT3分别通过第十五电阻R15、第十六电阻R16接入第五运算放大器U5的同相输入端；
第十七电阻R17、第十八电阻R18、第十九电阻R19三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VF2，第十九电阻R19的另一端接地，第十八电阻R18的另一端接参考电压VR2，第十七电阻R17的另一端接入第五运算放大器U5的同相输入端，参考电压VR2通过第十八电阻R18、第十九电阻R19形成的分压网络，获得能够调节的电压VF2；
第十三电阻R13、第二十电阻R20、第二十一电阻R21三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VF3，第二十电阻R20的另一端接地，第二十一电阻R21的另一端接参考电压VR3，第十三电阻R13的另一端接入第五运算放大器U5的反相输入端，参考电压VR3通过第二十电阻R20、第二十一电阻R21形成的分压网络，获得能够调节的电压VF3；第五运算放大器U5的反向输入端通过第十四电阻R14与输出端之间连接；
通过调节分压网络，第五运算放大器U5输出的温补电压VT校正归零并作为最终输出。
作为一种具体示例，所述温度传感器S1的型号为TMP36，温度传感器S1在常温25℃的输出电压为750mV，第一电阻R1、第二电阻R2组成的分压网络将+5V的参考电压VR1分压至750mV的电压VD，将温度传感器S1的输出电压与电压VD相减，使温补电压在常温25℃下校正至±10mV以内，实现常温校正归零。
作为一种具体示例，所述分离驱动电路中，当温度高于25℃时，电压VT1S为正，通过第二二极管D2输出至第四运算放大器U4；当温度低于25℃时，电压VT1S为负，通过第一二极管D1输出至第三运算放大器U3；第三运算放大器U3和第四运算放大器U4分别调节放大倍数，使通过二极管实现分离输出的高温状态的电压VT2和低温状态的电压VT3具有不同的温度斜率，并输出至校准电路。
作为一种具体示例，所述温度传感电路中，将第一运算放大器U1的输入信号反接，即将温度传感器S1的输出接入第一运算放大器U1的反相输入端，将参考电压VR1接入第一运算放大器U1的同相输入端，即可实现温度斜率的反转，用于逆向温漂系统的温度补偿。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
结合图1，本发明分离补偿温控装置，包括温度传感电路、分离驱动电路以及校准电路。描述这种技术的主要指标有：1)补偿电压峰峰值：120mV；2)典型温度斜率：15mV/℃(高低温可分别调节)；3)补偿范围:>2.5V；4)工作温度范围：-40～+85℃；5)尺寸:(长)25mm×(宽)15mm×(高)5mm。
结合图1和表1，温度传感电路部分包括温度传感器S1、双刀双掷开关U6，第一运算放大器U1、外围第一～六电阻R1-R6。
温度信息首先通过温度传感器S1(TMP36)转换成电压信息，温度传感器TMP36是一种高精度温度传感器，其测温精度在±2℃以内；其工作温度范围可达-40℃～+125℃，为正温度斜率，即其输出电压随温度增加而增加，可以确保整个电路的高精度和宽温特性。其在常温25℃的输出电压为750mV。
结合图1和表1，电压VD通过第一电阻R1和第二电阻R2组成的分压网络将+5V参考电压VR1分压至750mV，与TMP36在25℃输出电压相等。第一运算放大器U1为精密轨到轨低噪声运算放大器OP184，U1实现减法电路的功能，将TMP36的输出电压与参考电压VD相减，使温补电压在常温25℃下校正至±10mV以内，实现常温校正归零，低温电压小于0V，高温电压大于0V。
结合图1和表1，分离驱动电路包括第二、三、四运算放大器U2、U3、U4，第一、二二极管D1、D2，外围第七～十二电阻R7-R12。第二、三、四运算放大器U2、U3、U4为OP484，为精密轨到轨低噪声运算放大器。第一二极管D1和第二二极管D2为二极管1N60P。由于上一级温度传感电路已经将25℃的输出电压校正至0V左右，分离驱动电路首先对输入电压进行驱动放大，得到放大之后的电压VT1S。第二运算放大器U2的输出连接两只方向相反的第一二极管D1和第二二极管D2，并利用二极管的单向导通特性，使用两只异向第一二极管D1和第二二极管D2实现补偿电压的高低温分离输出。具体来说，当温度高于25℃时，VT1S为正电压，其可以通过第二二极管D2输出至下一级第四运算放大器U4；当温度低于25℃时，VT1S为负电压，其可以通过第一二极管D1输出至下一级第三运算放大器U3。第三运算放大器U3和第四运算放大器U4可以分别调节放大倍数，使通过二极管实现分离输出的高温状态的电压VT2和低温状态的电压VT3具有不同的温度斜率，并输出至下一级电路。
结合图1和表1，校正电路由一级第五运算放大器U5和若干外围电阻组成，该电路可以对高温状态的电压VT2和低温状态的电压VT3进行相加合成，并与高温状态的电压VF2和低温状态的电压VF3分别正向和反向相加。参考电压VR2通过第十八电阻R18和第十九电阻R19组成的分压网络，获得可调节的电压VF2；参考电压VR3通过第二十电阻R20和第二十一电阻R21组成的分压网络，获得可调节的电压VF3；通过调节分压网络，实现温补电压VT在25℃校正归零并作为最终输出。具体来说，电压VT在25℃为0V左右，在高温状态下高于0V，低温状态下低于0V。
表1元器件清单及其元件值
结合图1和表1，温度传感电路部分，将第一运算放大器U1的输入信号反接(即将TMP36的输入接入第一运算放大器U1的反相输入端，将参考电压VR1接入同相输入端)，即可实现温度斜率的反转，以适应逆向温漂系统的温度补偿。
由上可知，整个电路使用单电源+5V供电，无需负电源，方便使用。电路的调节部分都通过片式电阻的调节实现，简易可靠。整个电路仅使用6个分立元件实现，电路尺寸小，易于在不同电路系统中实现温控功能集成和移植。

Claims (7)

1.一种分离补偿温控装置，其特征在于，包括温度传感电路、分离驱动电路以及校准电路，其中：
所述温度传感电路，采用温度传感器测量外界温度变化，将温度的变化转换为电压信号的变化，并通过减法电路调节温补零点；
所述分离驱动电路，接收温度传感电路输出的电压信号，将该电压信号进行驱动放大，放大之后的电压信号分别接入两只方向相反的二极管，将高温状态和低温状态的电压分离后输出；
所述校准电路，接收分离驱动电路输出的高温状态、低温状态的电压，并将二者相加合成，相加合成的电压一方面与一个分压网络输出的可调节电压正向相加、另一方面与另一个分压网络输出的可调节电压反向相加；通过调节分压网络，进行常温归零校正。
2.根据权利要求1所述的分离补偿温控装置，其特征在于，所述温度传感电路包括温度传感器(S1)、双刀双掷开关(U6)、第一运算放大器(U1)以及第一～六电阻(R1～R6)；
温度传感器(S1)将温度信息转换成电压VT0并输出，该输出端顺次通过第五电阻(R5)、第六电阻(R6)接地，第五电阻(R5)、第六电阻(R6)的公共端通过双刀双掷开关(U6)接入第一运算放大器(U1)的同相输入端；
第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VD，第一电阻(R1)的另一端接参考电压VR1，第二电阻(R2)的另一端接地GND，第三电阻(R3)的另一端一方面通过双刀双掷开关(U6)接入第一运算放大器(U1)的反相输入端、另一方面通过第四电阻(R4)接入第一运算放大器(U1)的输出端，第一运算放大器(U1)输出电压VT1。
3.根据权利要求1所述的分离补偿温控装置，其特征在于，所述分离驱动电路包括第二～四运算放大器(U2～U4)、第一～二二极管(D1、D2)和第七～十二电阻(R7～R12)；
温度传感电路输出的电压VT1接入第二运算放大器(U2)的同相输入端，第二运算放大器(U2)的反相输入端一方面通过第七电阻(R7)接地、另一方面通过第八电阻(R8)接入第二运算放大器(U2)的输出端；第二运算放大器(U2)输出的电压VT1S分别接入第一二极管(D1)的负极和第二二极管(D2)的正极，第一二极管(D1)的正极接入第三运算放大器(U3)的同相输入端，第二二极管(D2)的负极接入第四运算放大器(U4)的同相输入端；第三运算放大器(U3)的反相输入端一方面通过第十电阻(R10)接地、另一方面通过第九电阻(R9)接入第三运算放大器(U3)的输出端；第四运算放大器(U4)的反相输入端一方面通过第十二电阻(R12)接地、另一方面通过第十一电阻(R11)接入第四运算放大器(U4)的输出端；第三运算放大器(U3)输出高温状态的电压VT2，第四运算放大器(U4)输出低温状态的电压VT3。
4.根据权利要求1所述的分离补偿温控装置，其特征在于，所述校准电路包括第五运算放大器(U5)、第十三～二十一电阻(R13～R21)；
驱动电路输出的高温状态的电压VT2、低温状态的电压VT3分别通过第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)接入第五运算放大器(U5)的同相输入端；
第十七电阻(R17)、第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VF2，第十九电阻(R19)的另一端接地，第十八电阻(R18)的另一端接参考电压VR2，第十七电阻(R17)的另一端接入第五运算放大器(U5)的同相输入端，参考电压VR2通过第十八电阻(R18)、第十九电阻(R19)形成的分压网络，获得能够调节的电压VF2；
第十三电阻(R13)、第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)三者相接于一公共端，该公共端的电压为电压VF3，第二十电阻(R20)的另一端接地，第二十一电阻(R21)的另一端接参考电压VR3，第十三电阻(R13)的另一端接入第五运算放大器(U5)的反相输入端，参考电压VR3通过第二十电阻(R20)、第二十一电阻(R21)形成的分压网络，获得能够调节的电压VF3；第五运算放大器(U5)的反向输入端通过第十四电阻(R14)与输出端之间连接；
通过调节分压网络，第五运算放大器(U5)输出的温补电压VT校正归零并作为最终输出。
5.根据权利要求2所述的分离补偿温控装置，其特征在于，所述温度传感器(S1)的型号为TMP36，温度传感器(S1)在常温25℃的输出电压为750mV，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)组成的分压网络将+5V的参考电压VR1分压至750mV的电压VD，将温度传感器(S1)的输出电压与电压VD相减，使温补电压在常温25℃下校正至±10mV以内，实现常温校正归零。
6.根据权利要求3所述的分离补偿温控装置，其特征在于，所述分离驱动电路中，当温度高于25℃时，电压VT1S为正，通过第二二极管(D2)输出至第四运算放大器(U4)；当温度低于25℃时，电压VT1S为负，通过第一二极管(D1)输出至第三运算放大器(U3)；第三运算放大器(U3)和第四运算放大器(U4)分别调节放大倍数，使通过二极管实现分离输出的高温状态的电压VT2和低温状态的电压VT3具有不同的温度斜率，并输出至校准电路。
7.根据权利要求2所述的分离补偿温控装置，其特征在于，所述温度传感电路中，将第一运算放大器(U1)的输入信号反接，即将温度传感器(S1)的输出接入第一运算放大器(U1)的反相输入端，将参考电压VR1接入第一运算放大器(U1)的同相输入端，即可实现温度斜率的反转，用于逆向温漂系统的温度补偿。
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