CN114812846A - 一种兼容正负温度系数传感器的温度采样电路 - Google Patents
一种兼容正负温度系数传感器的温度采样电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，公开了一种兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，包括微处理器、可编程双路恒流源、4选2电子模拟开关KA、4选2电子模拟开关KB、可变增益放大器及模数转换器、公共电阻Rc、正温度系数传感器R1、负温度系数传感器R2；所述可编程双路恒流源输出恒流源1和恒流源2，所述恒流源1和恒流源2经过所述4选2电子模拟开关KA后输出恒流源A、恒流源B，或输出恒流源C、恒流源D。本发明避免了恒流源不匹配造成的测量误差；公共电阻可使差分电压信号处于模数转换器的共模电压区间之内，或为模数转换器提供外部参考电压；可自适应校正测温传感器老化后造成的精度降低问题。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种兼容正负温度系数传感器的温度采样电路。
背景技术
工业控制中需要对正温度系数PTC或负温度系数NTC类型的测温传感器进行模拟电压信号的采样。然而现有的工业控制设计中，对正温度系数或负温度系数传感器进行采样是独立分开的，一个电路往往只能对正温度系数传感器或负温度系数传感器进行采样，电路设计不够灵活。
公开号为CN104953815的中国专利公开了一种设定正、负温度系数的温度补偿电压发生电路，采用多级滤波结构对由电网进入的电磁干扰信号进行有效的滤除，采用不同泄放电压值的三个压敏电阻对浪涌电压进行泄放保护，靠近接入口的熔断器和温度调节电阻不但对过电流发生时进行断开保护而且对整个驱动电源起到一个软启动的作用。然而该专利主要用于降低外界的电磁干扰，不能解决恒流源不匹配造成的测量误差，也不能解决采样电路老化后的温度测量精度下降问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，包括微处理器，还包括可编程双路恒流源、4选2电子模拟开关KA、4选2电子模拟开关KB、可变增益放大器及模数转换器、公共电阻Rc、正温度系数传感器R1、负温度系数传感器R2；
所述可编程双路恒流源输出恒流源1和恒流源2，所述恒流源1和恒流源2经过所述4选2电子模拟开关KA后输出恒流源A、恒流源B，或输出恒流源C、恒流源D；
所述恒流源A分别连接正温度系数传感器R1的第一端口和电阻R3，所述电阻R3的另一端连接所述4选2电子模拟开关KB的端1，所述恒流源B分别连接正温度系数传感器R1的第二端口和电阻R4，所述电阻R4连接所述4选2电子模拟开关KB的端2，所述正温度系数传感器R1的第二端口连接公共电阻Rc，所述公共电阻Rc的另一端连接零电势点；
所述恒流源C分别连接负温度系数传感器R2的第一端口、电阻Rm和电阻R5，所述电阻R5的另一端连接所述4选2电子模拟开关KB的端3，所述恒流源D分别连接负温度系数传感器R2的第二端口和电阻R6，所述电阻R6连接所述4选2电子模拟开关KB的端4，所述负温度系数传感器R1的第二端口连接公共电阻Rc。
进一步的，所述4选2电子模拟开关KB输出模拟电压正极和模拟电压负极，并输入可变增益放大器及模数转换器，可变增益放大器及模数转换器和可编程双路恒流源分别与微控制器电连接。
进一步的，所述恒流源1和恒流源2为可交换式，在A阶段使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据。
进一步的，所述恒流源1和恒流源2为可交换式，在A阶段使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口，使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口，使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据。
进一步的，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据，包括：
其中U1为A阶段的电压差，U2为B阶段的电压差，U为融合后的电压差。
进一步的，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据，包括：
其中U1为A阶段的电压差，U2为B阶段的电压差，U为融合后的电压差。
进一步的，使用如下方法对温度进行校正：
其中，
和T1分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，
和T2分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，
和T3分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，
和T4分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度。
进一步的，所述温度系数曲线的表达式如下：
其中A，B，C为方程参数，T为温度，R为正温度系数传感器或负温度系数传感器的电阻值与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明在只使用两路恒流源，且恒流源经过模拟开关的情况下，可以任意交互次序，有效避免了恒流源由于不匹配造成的测量误差。
本发明的公共电阻既在正温度系数传感器R1的驱动回路中，也在负温度系数传感器R2的驱动回路中。对于正温度系数传感器的测量，该公共电阻让端1和端2所形成的差分电压信号都处于后端的模数转换器的共模电压区间之内，其二是为模数转换器提供了外部参考电压，使得模数转换器的结果直接反映了传感器当前阻值与公共电阻的阻值之比；对于负温度系数传感器的测量，该公共电阻让端3和端4所形成的差分电压信号都处于后端的模数转换器的共模电压区间之内，保证模数转换器的正常工作。
本发明通过正温度系数曲线和负温度系数曲线的参考温度，对测温传感器老化后造成的精度降低问题，进行自适应地校正，提高温度测量的准确度。
附图说明
图1本发明的温度采用电路图；
图2负温度系数曲线与正温度系数曲线相交的参考温度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
工业控制中需要对PTC或NTC类型的测温传感器进行模拟电压信号的采样，参考图1，本电路结构采用两路1毫安的恒流源方式驱动测温传感器，当外界温度变化时传感器内置采样电阻的阻值会发生相应变化，该信号在恒流源的驱动下转化为传感器输出端子之间的电压差。兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，包括微处理器，还包括可编程双路恒流源、4选2电子模拟开关KA、4选2电子模拟开关KB、可变增益放大器及模数转换器、公共电阻Rc、正温度系数传感器R1、负温度系数传感器R2。
可编程双路恒流源输出恒流源1和恒流源2，恒流源1和恒流源2经过4选2电子模拟开关KA后输出恒流源A、恒流源B，或输出恒流源C、恒流源D；
恒流源A分别连接正温度系数传感器R1的第一端口和电阻R3，电阻R3的另一端连接4选2电子模拟开关KB的端1，恒流源B分别连接正温度系数传感器R1的第二端口和电阻R4，电阻R4连接4选2电子模拟开关KB的端2，正温度系数传感器R1的第二端口连接公共电阻Rc，公共电阻Rc的另一端连接零电势点。
恒流源C分别连接负温度系数传感器R2的第一端口、电阻Rm和电阻R5，电阻R5的另一端连接4选2电子模拟开关KB的端3，恒流源D分别连接负温度系数传感器R2的第二端口和电阻R6，电阻R6连接4选2电子模拟开关KB的端4，负温度系数传感器R1的第二端口连接公共电阻Rc。
4选2电子模拟开关KB输出模拟电压正极和模拟电压负极，并输入可变增益放大器及模数转换器，可变增益放大器及模数转换器和可编程双路恒流源分别与微控制器电连接。
本电路结构采用的交换恒流源方式如下：在A阶段使用第一路恒流源驱动传感器的第一端口，使用第二路恒流源驱动传感器的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用第二路恒流源驱动传感器的第一端口，使用第一路恒流源驱动传感器的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，获得最终的电压差数据。采用交换恒流源方式可以有效降低由于两路恒流源存在的不一致问题而导致的测量误差。
本发明通过测温传感器对模拟电压信号的采样，并通过两路恒流源运作。测温传感器内置的采样电阻随环境温度变化，再进行相应的存储器配置，由恒流源将该信号转化为传感器两端电压差。具体的，恒流源1和恒流源2为可交换式，在A阶段使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据。
融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据，包括：
其中U1为A阶段的电压差，U2为B阶段的电压差，U为融合后的电压差。
恒流源1和恒流源2为可交换式，在A阶段使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口，使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口，使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据。融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据，包括：
其中U1为A阶段的电压差，U2为B阶段的电压差，U为融合后的电压差。
结合可编程双路恒流源和模拟开关，可实现对正温度系数传感器和负温度系数传感器的分别驱动，形成差分电压信号提供给后端的可变增益放大器和模数转换器模块。这种方式的优势在于，本发明在只使用两路恒流源，且恒流源经过模拟开关的情况下，可以任意交互次序，有效避免了恒流源由于不匹配造成的测量误差。
公共电阻既在正温度系数传感器R1的驱动回路中，也在负温度系数传感器R2的驱动回路中。对于正温度系数传感器的测量，该公共电阻有两个作用，其一是抬高了端1和端2的电势，让端1和端2所形成的差分电压信号都处于后端的模数转换器的共模电压区间之内，其二是为模数转换器提供了外部参考电压，使得模数转换器的结果直接反映了传感器当前阻值与公共电阻的阻值之比；对于负温度系数传感器的测量，该公共电阻的作用只有一个，就是抬高了端3和端4的电势，让端3和端4所形成的差分电压信号都处于后端的模数转换器的共模电压区间之内，保证模数转换器的正常工作。
温度系数传感器具有非线性严重、元件分散性大等特点，在使用过程中，热敏电阻的元件易老化，稳定性比较差的，温度系数传感器会发生衰变，导致测量精度降低，对测量结果造成的影响。本发明提出一种对温度系数传感器的测量温度进行自动校正的方法，具体如下：
如图2所示，负温度系数传感器的温度系数曲线与正温度系数传感器的温度系数曲线相交于一点，这一点对应的温度为校正参考温度，在本发明的温度采样电路初期，记录使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为T1，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为T2，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为T3，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为T4。
在温度采样电路使用一段时间后，记录使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为
，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为
，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为
，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度为
。
温度系数曲线的表达式如下：
其中A，B，C为方程参数，T为温度，R为正温度系数传感器或负温度系数传感器的电阻值。
温度校正值△T的计算如下：
当用正温度系数传感器或负温度系数传感器采样电路计算出当前的温度后，再加上或减去温度校正值△T ，即得到校正后的精确温度值。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明在只使用两路恒流源，且恒流源经过模拟开关的情况下，可以任意交互次序，有效避免了恒流源由于不匹配造成的测量误差。
本发明的公共电阻既在正温度系数传感器R1的驱动回路中，也在负温度系数传感器R2的驱动回路中。对于正温度系数传感器的测量，该公共电阻让端1和端2所形成的差分电压信号都处于后端的模数转换器的共模电压区间之内，其二是为模数转换器提供了外部参考电压，使得模数转换器的结果直接反映了传感器当前阻值与公共电阻的阻值之比；对于负温度系数传感器的测量，该公共电阻让端3和端4所形成的差分电压信号都处于后端的模数转换器的共模电压区间之内，保证模数转换器的正常工作。
本发明通过正温度系数曲线和负温度系数曲线的参考温度，对测温传感器老化后造成的精度降低问题，进行自适应地校正，提高温度测量的准确度。
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，包括微处理器，其特征在于，还包括可编程双路恒流源、4选2电子模拟开关KA、4选2电子模拟开关KB、可变增益放大器及模数转换器、公共电阻Rc、正温度系数传感器R1、负温度系数传感器R2；
所述可编程双路恒流源输出恒流源1和恒流源2，所述恒流源1和恒流源2经过所述4选2电子模拟开关KA后输出恒流源A、恒流源B，或输出恒流源C、恒流源D；
所述恒流源A分别连接正温度系数传感器R1的第一端口和电阻R3，所述电阻R3的另一端连接所述4选2电子模拟开关KB的端1，所述恒流源B分别连接正温度系数传感器R1的第二端口和电阻R4，所述电阻R4连接所述4选2电子模拟开关KB的端2，所述正温度系数传感器R1的第二端口连接公共电阻Rc，所述公共电阻Rc的另一端连接零电势点；
所述恒流源C分别连接负温度系数传感器R2的第一端口、电阻Rm和电阻R5，所述电阻R5的另一端连接所述4选2电子模拟开关KB的端3，所述恒流源D分别连接负温度系数传感器R2的第二端口和电阻R6，所述电阻R6连接所述4选2电子模拟开关KB的端4，所述负温度系数传感器R1的第二端口连接公共电阻Rc。
2.根据权利要求1所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，所述4选2电子模拟开关KB输出模拟电压正极和模拟电压负极，并输入可变增益放大器及模数转换器，可变增益放大器及模数转换器和可编程双路恒流源分别与微控制器电连接。
3.根据权利要求1所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，所述恒流源1和恒流源2为可交换式，在A阶段使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据。
4.根据权利要求1所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，所述恒流源1和恒流源2为可交换式，在A阶段使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口，使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口，在获得电压差数据后A阶段结束；在B阶段，使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口，使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口，在获得电压差数据后B阶段结束；在C阶段，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据。
5.根据权利要求3所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据，包括：
其中U1为A阶段的电压差，U2为B阶段的电压差，U为融合后的电压差。
6.根据权利要求4所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，融合A阶段和B阶段的电压差数据，得到最终的电压差数据，包括：
其中U1为A阶段的电压差，U2为B阶段的电压差，U为融合后的电压差。
7.根据权利要求3或权利要求4任一所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，使用如下方法对温度进行校正：
其中，
和T1分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，
和T2分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源1驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源1驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，
和T3分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第一端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第一端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，
和T4分别为电路使用初期和使用一段时间后，使用恒流源2驱动正温度系数传感器R1的第二端口得到的温度系数曲线与使用恒流源2驱动负温度系数传感器R2的第二端口得到的温度系数曲线相交的校正参考温度，△T为温度校正值。
8.根据权利要求7所述的兼容正负温度系数传感器的温度采样电路，其特征在于，所述温度系数曲线的表达式如下：
其中A，B，C为方程参数，T为温度，R为正温度系数传感器或负温度系数传感器的电阻值。
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