一種應(yīng)用于AD轉(zhuǎn)換模塊的恒溫電路設(shè)計(jì)

李正芬， 郭紅梅， 雒宏禮， 陳琨

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源 459099， 2.億江(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100176)

一種應(yīng)用于AD轉(zhuǎn)換模塊的恒溫電路設(shè)計(jì)

李正芬1， 郭紅梅1， 雒宏禮2， 陳琨2

(1. 國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源 459099， 2.億江(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100176)

研究一種恒溫控制電路。以熱敏電阻為溫度測量元件，加熱電阻加熱的方法實(shí)現(xiàn)一種簡單、穩(wěn)定的恒溫電路。當(dāng)環(huán)境溫度在-25 ℃～+75 ℃變化時(shí)，恒溫控制電路可以使恒溫盒內(nèi)的溫度變化在±1 ℃，從而保證AD采樣模塊在一個(gè)恒定的環(huán)境中工作，最大程度減少了由于溫度變化帶來的高精度器件精度漂移。

恒溫；硬件；電路設(shè)計(jì)；高精度器件；精度漂移

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，高精度器件的使用環(huán)境越來越苛刻。對(duì)于本電力采集產(chǎn)品來講，安裝在PT側(cè)，需要耐受100 ℃的溫度變化，很大程度的影響電力產(chǎn)品中高精度器件的穩(wěn)定性、高可靠性。為了保證電力采集產(chǎn)品中的AD采樣模塊在一個(gè)恒定的環(huán)境中工作，提出了恒溫控制電路的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)一種恒溫控制電路，主要通過加熱電阻加熱的方法來穩(wěn)定恒溫盒的溫度，并通過仿真測試和電力產(chǎn)品現(xiàn)場實(shí)際使用驗(yàn)證了該方法的切實(shí)可行，使系統(tǒng)獲得高可靠性提供了一種有參考價(jià)值的方法。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

恒溫電路設(shè)計(jì)的研究主要用于電力采集產(chǎn)品上，對(duì)電力采集產(chǎn)品來講，安裝在PT側(cè)，需要耐受100 ℃的溫度變化，卻要求萬分之五的精度。除需要從理論上進(jìn)行最終的計(jì)算和分析外，還要考慮各種因素。如其中重要的一個(gè)因素高精度器件的溫漂，器件穩(wěn)定性、可靠性受溫度變化的影響，是電子器件不可回避的問題。對(duì)于電力采集產(chǎn)品中高精度的AD采集模塊，溫漂的問題更為嚴(yán)重，要保證AD采集模塊精度在允許的范圍內(nèi)，恒溫電路的設(shè)計(jì)是很重要的[1]?；趯?duì)電力采集產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的考慮，將高精度的AD采集模塊放置在恒溫盒中，同時(shí)配合加熱電阻來穩(wěn)定恒溫盒溫度的方法，來保證環(huán)境在-20 ℃～+75 ℃變化時(shí)，恒溫盒內(nèi)的溫度變化在±1 ℃，使電力產(chǎn)品在萬分之五的精度范圍以內(nèi)穩(wěn)定工作。

如圖1所示恒溫控制電路[2]，器件主要由分壓電阻、熱敏電阻、加熱電阻、運(yùn)放、三極管等組成，從設(shè)計(jì)上看電路設(shè)計(jì)簡單、穩(wěn)定性好。選擇的運(yùn)放是低價(jià)、高性能、低噪聲的雙運(yùn)算放大器ne5532，熱敏電阻選擇低價(jià)，對(duì)溫度反應(yīng)靈敏的電阻。

圖1 溫度控制電路

根據(jù)電路，為了保證恒溫盒內(nèi)的器件工作最佳狀態(tài)，首先確定恒溫盒內(nèi)要保持的恒定溫度，通過測試和計(jì)算，恒溫盒的溫度恒定在75 ℃為最佳,AD采集模塊可以穩(wěn)定的工作，電力產(chǎn)品可以達(dá)到萬分之五的精度[3]。

當(dāng)溫度降低時(shí)，通過分壓電阻電路、負(fù)反饋電路、恒流源控制電路，加熱電阻電路使溫度穩(wěn)定在75 ℃。

1.2 電路具體設(shè)計(jì)

如圖1參數(shù)V1、V2、V3、V4的具體計(jì)算如下：

(1)

(2)

V1=V2

(3)

(4)

(5)

從上面的公式可知當(dāng)溫度降低時(shí)，熱敏電阻RMF1變大，根據(jù)公式(2)V1變大，根據(jù)(3)式V2變大，根據(jù)(4)式V3變大，根據(jù)(5)式V4變大，后級(jí)運(yùn)算放大ne5532同向輸入端和反向輸入端形成壓差在通過后級(jí)負(fù)反饋放大電路，三極管的基極電壓大于發(fā)射極電壓，三極管導(dǎo)通，加熱電阻加熱，保持溫度恒定。并且后級(jí)運(yùn)放和三極管組成的恒流源控制電路，抑制了輸出電流的增大，穩(wěn)定了輸出電流。

具體分析如：當(dāng)溫度低于75 ℃時(shí)，由于熱敏電阻(MF1是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻)的阻值變大，V0≠V1，V1>V0，根據(jù)深度負(fù)反饋電路虛短、虛斷的特點(diǎn)，R18上有電流，在經(jīng)過負(fù)反饋電路放大，后級(jí)運(yùn)算放大U2B同向輸入端和反向輸入端形成壓差，輸出電壓放大，三級(jí)管基極電壓大于發(fā)射極電壓，三級(jí)管導(dǎo)通，有電流流過加熱電阻，加熱電阻加熱，再通過三極管、運(yùn)算放大U2B、電阻等組成的恒流控制源電路控制流過加熱電阻電流[4]，使恒溫盒溫度保持在75 ℃左右。

在設(shè)計(jì)過程中，要理論計(jì)算配合仿真軟件。下面是Saber Sketch軟件仿真結(jié)果，根據(jù)熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)特性，在仿真過程中給熱敏電阻設(shè)定不同的參數(shù)值，從而達(dá)到模擬溫度升高和溫度降低環(huán)境的目的。仿真如下：

(1) 1.5 k的仿真結(jié)果(見圖1)

圖2 熱敏電阻阻值為1.5 kΩ的仿真結(jié)果

當(dāng)熱敏電阻為1.5 kΩ時(shí)，此時(shí)恒溫盒應(yīng)該保持在此恒定的溫度下，通過仿真觀察到，此時(shí)三極管處于放大狀態(tài)，三極管導(dǎo)通，但是流過加熱電阻的電流很小，所以溫度還是保持在75 ℃左右。

(2) 100 Ω的仿真結(jié)果(見圖2)

圖3 熱敏電阻阻值為100 Ω的仿真結(jié)果

當(dāng)熱敏電阻為100 Ω時(shí)，U2A運(yùn)放正向端電壓比1.5 kΩ時(shí)減小，由運(yùn)放的虛短、虛斷的特性可知R18上有電流流過運(yùn)放，但是由于負(fù)反饋，R21一端的電壓為負(fù)電壓，根據(jù)負(fù)反饋電路、恒流源控制電路特性和三極管導(dǎo)通條件，此時(shí)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，加熱電阻沒有電流流過，不發(fā)熱。而且根據(jù)實(shí)際軟件仿真如上圖三極管不導(dǎo)通。加熱電阻不工作。

(3) 5.1 k的仿真結(jié)果(見圖3)

圖4 熱敏電阻阻值為5.1 kΩ的仿真結(jié)果

當(dāng)熱敏電阻為5.1 kΩ時(shí)，U2A運(yùn)放正向端電壓比1.5 kΩ時(shí)增大，由運(yùn)放的虛短、虛斷特性可知R18上有電流流過運(yùn)放，根據(jù)負(fù)反饋，R21一端的電壓為正電壓，根據(jù)恒流源控制電路、負(fù)反饋和三極管導(dǎo)通條件，此時(shí)三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)熱電阻上有電流通過，加熱電阻加熱，使得恒溫盒內(nèi)的溫度升高。而且根據(jù)實(shí)際軟件仿真如上圖三極管導(dǎo)通，加熱電阻工作，使溫度恢復(fù)到+75 ℃[5]。

2 應(yīng) 用

電力采集產(chǎn)品安裝在PT側(cè)，需要耐受100 ℃的溫度變化，還要求精度在±0.05%以內(nèi)。AD轉(zhuǎn)換模塊是電力采集產(chǎn)品的重要模塊，對(duì)溫度的變化更加敏感，AD轉(zhuǎn)換模塊采用ADS8329IRSARG4[6]芯片，其采樣精度16位，零位漂移0.4×10-6/℃，增益漂移0.75×10-6/℃，這款芯片具有高精度和高采樣率的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)溫度變化敏感。

AD[7]轉(zhuǎn)換模塊在電路設(shè)計(jì)和器件選擇上，盡量保證采樣電壓的精度并最大程度減小溫漂。但還是要考慮溫度在-25 ℃～+75 ℃變化時(shí)，AD模塊精度漂移。溫漂造成的輸出變化必須通過恒溫或者溫度補(bǔ)償來去除。由于溫度補(bǔ)償電路需要在芯片設(shè)計(jì)之初加入，而且無法做到完全補(bǔ)償，因此，要得到穩(wěn)定的輸出，則必須穩(wěn)定系統(tǒng)的工作溫度，所以AD轉(zhuǎn)換模塊放在恒溫盒里，在通過恒溫控制電路保證溫度的恒定。

3 測 試

恒溫設(shè)計(jì)電路主要保證D采樣模塊所處的環(huán)境溫度變化在±1 ℃，電力采集產(chǎn)品是三相電壓，通過三路選通信號(hào)對(duì)模擬開關(guān)74LVC1G3157的控制使得三項(xiàng)交流(A、B、C)模擬信號(hào)能夠經(jīng)過濾波后進(jìn)入到AD轉(zhuǎn)換芯片中，實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，在通過電力還原產(chǎn)品還原成模擬信號(hào)。如果環(huán)境溫度在-25 ℃～+75 ℃變化時(shí)，電力采集產(chǎn)品和還原產(chǎn)品通過壓降儀測試讀出的三相電壓的差值的幅值在0%～0.06%，相位在0(′)～3(′)之間變化，說明恒溫硬件電路設(shè)計(jì)合理。

如表1。

表1 常溫

如表1電力采集產(chǎn)品三相電壓A、B、C的幅值、相位在常溫時(shí)都在理論的范圍內(nèi)。

如表2電力產(chǎn)品三相電壓A、B、C的幅值、相位在高溫時(shí)都在理論的范圍內(nèi)，恒溫控制電路可以在高溫時(shí)控制恒溫盒溫度的恒定。

表2 高溫105 ℃

如表3電力采集產(chǎn)品三相電壓A、B、C的幅值、相位在低溫時(shí)都在理論的范圍內(nèi)，恒溫控制電路可以在低溫時(shí)控制恒溫盒溫度的恒定。

表3 低溫-25 ℃

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用一種低成本的熱敏電阻，以及盡可能少的輔助元件，實(shí)現(xiàn)了用加熱電阻加熱穩(wěn)定溫度的方法。該電路結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小，可以應(yīng)用于高精度AD芯片模塊等一系列電路的溫度控制。

[1] 吳疆，何萌，吳方．高精度溫度控制方式述評(píng)[J]．計(jì)測技術(shù)，2008，28(3):5-7．

[2] 張洪昌，田會(huì)方，趙恒．高精度恒溫控制電路[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,28(4):38-40．

[3] 張雄偉，陳亮，徐光輝DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M]．3版.北京:電子工業(yè)出版社，2003．

[4] 王學(xué)紀(jì)．功率運(yùn)算放大器在壓控電流源中的應(yīng)用[J]．國外電子元器件,1998,5(9):19-21.

[5] 徐江海、張志良.單片機(jī)使用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[6] 李兆軍，紀(jì)平，婁曉光．高精度溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子測量技術(shù)，2007，30(2):146-148．

[7] 李蘇文．用2個(gè)8位AD替換16位AD[J]．電測與儀表， 1999，36(10):22-23．

A Constant Temperature Circuit Design Applied to the AD Converter Module

LI Zheng-fen1，GUO Hong-mei1，LUO Hong-li1，CHEN Kun2

(1. State Grid Henan Electric Power Company Jiyuan Power Supply Company, Jiyuan Henan 459099, China; 2.Yeejoin (Beijing) Technology Development Co., Ltd., Beijing 100176, China)

This research is focused on a constant temperature control circuit. A simple stable constant temperature circuit is realized by using thermistor as temperature-measuring element and heating the heat resistor. When ambient temperature varies in the range of -25 ℃ to +75 ℃, the constant temperature control circuit keeps temperature change in the thermostatic box within ± 1 ℃, thus ensuring that the AD sampling module can work in a constant environment and precision drift of high-precision devices caused by temperature change can be minimized.

constant temperature; hardware; circuit design; high-precision device; precision drift

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.033

TN792

A

1000-3886(2015)02-0097-03

李正芬(1969-)，女，河南濟(jì)源人，高級(jí)工程師、高級(jí)技師，國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司，主要從事電力計(jì)量技術(shù)研究。 郭紅梅(1973-)，女，河南濟(jì)源人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司，主要從事信息通信技術(shù)研究。 陳琨(1974-)，男，陜西人，技術(shù)總工，億江(北京)科技發(fā)展有限公司工作，主要從事無線、光纖通信、電力設(shè)備的研發(fā)工作。 雒宏禮(1975-)，男，陜西人，技術(shù)總工，億江(北京)科技發(fā)展有限公司工作，主要從事無線、光纖通信、電力設(shè)備的研發(fā)工作。

定稿日期: 2014-06-13