摘 要: 为了实现风速计良好的恒温差控制, 控制回路中的放大器需要有大增益, 但大增益又会引起自由振荡的问题, 本文介绍了解决这种自由振荡问题的方案, 即脉冲调制型恒温差控制电路的工作原理及设计. 在实际应用中, 这个电路的最大缺陷就是输出温漂较大, 因此本文对该电路的温漂特性也进行了详细的测试, 文章最后给出了结论.

　　关键词: CMOS; 热流量风速计; 恒温差; 脉冲调制; 温漂

　　热流量风速计的工作原理就是在一定的控制模式下把传感器加热, 通过检测气流引起的传感器表面温度变化或者传感器消耗功率的变化来得到风速和风向信息[ 1-3, 9] . 因此, 风速计要工作首先要有一个控制电路加热风速计使风速计的温度高于环境的温度, 常用的控制模式有恒功率、恒温、恒温差和温度平衡模式. 与其他几种控制模式相比, 恒温差控制模式由于是把芯片温度加热使其比环境高出一个固定值, 因此输出和环境温度原理上无关, 从而可以更好地解决温漂问题并且有较大的测量范围, 而且, 工作在这种模式下的风速计温度不会随着风速的改变而变化, 响应速度不受传感器本身热域响应速度的限制, 因此这种控制模式有更高的响应速度. 因为这种控制模式有以上的优点[ 4-5, 10] , 所以国内外对风速计研究控制电路一般都选择恒温差控制模式.

　　图1 是恒温差控制模式的原理图, Dchip 和Dref 分别是检测芯片和环境温度的两个PN 结, R x 用于设定一个初始状态使放大器的正端电压高于负端( Rb设定放大器的共模输入电压) , Rheat 为加热电阻. 开始时, 放大器输入端的正端电位高于负端, 因此Qheat导通, 加热电阻加热芯片, D chip 的正向导通压降随着芯片温度的增高而降低, 最后放大器正负端输入电压相等时达到平衡.

　　1 环路增益要求的理论分析

　　在图1 电路中, 假定电路工作在上述的稳定状态, 对该电路小信号分析, 则输入输出间有如下关系:

　　其中△V ou t 为输出点(Qheat 的集电极) 电压的变化量, △Vin 为放大器正负输入端的电压变化量( 如果负端恒定则为正端的电压变化量) , B和Av 分别是Qheat 和放大器的电流放大倍数和电压放大倍数.试验测得用于温度控制的二极管温度系数为- 1. 6mV/ ℃ , 假定测环境温度的二极管正向导通压降不变, 则加热芯片温度变化量为:

　　在实际测试中, 由于风速引起的输出端电压的变化量△Vout 可以达到2 V, 所以, 为了实现良好的恒温差控制( △T 基本没有变化) , B. Av 这一项要很大, 否则这个控制电路实际上是恒温差控制和恒功率控制的折中模型, 因此会有较大的温漂.

　　显然, 为了满足上述要求需要有大环路增益B.Av , 但是增加环路的增益B.Av 会引起另外一个问题, 即稳定性问题. 热反馈回路可以看作一个多阶系统, 即在热反馈回路会引入相位的变化, 当这个环路的增益B.Av 比较大时, 系统不再工作在稳定状态,进入振荡模式. 用两阶系统来模拟热反馈回路时控制环路的原理图以及根轨迹如图2[ 5] .

　　从上图可见, 当控制环路的增益不断变大时, 系统的极点从左半平面向右半平面移动, 最后根轨迹跨过虚轴, 系统不再稳定.

　　从理论而言, 当放大器的放大倍数足够大能够使回路振荡时, 图1 中的输出信号应该是图2 中示出的方波信号. 但实际测试发现输出的波形并不是方波, 而是有一定直流成分的、频率和振幅都会变化的正弦波. 造成这种情况的原因是图1 中的放大器( 即使是开环的放大器或者集成比较器电路) 不是理想的比较器, 当正负端的电压比较接近时不能够实现完全的翻转. 这种自由振荡很容易受到其他周期信号( 如数字电路的周期信号) 的干扰进而锁定到这些频率上来[ 5-6] .

　　把放大器接成施密特触发器的形式可以解决这个问题, 此时的输出信号为方波, 风速和方波的占空比成正比[ 7] . 另外一种解决自由振荡问题的方法是加脉冲调制电路, 现在世界上唯一的一个产业化的CMOS 热流量风速计中用的就是这种技术[8] . 经过调制后的输出信号是同步信号, 风速和单位时间内加热脉冲的个数成比例, 因此可以直接输入微处理器通过计数加热周期内脉冲的个数来得到风速的信息.

　　2 脉冲调制型电路的设计和测试

　　图3 是脉冲调制型恒温差控制电路. LM393 比较器要实现输出信号完全翻转输入信号的差值要大于10 mV, 因此检测温度PN 结的正向导通压降变化量先通过由两个运放LM324 组成的双输入双输出放大电路放大50 倍, 然后送入比较器. 方波电路由555 电路组成, 产生频率为10 KHz 的方波信号.上升沿触发器74LS74 的时钟信号为上述的方波信号, 触发器完成比较器输出波形的调制.

　　图4 中输出信号为低电平是加热阶段, 单位时间内加热阶段时间的长度( 加热阶段内包含时钟脉冲的个数) 和风速计的功耗成正比, 可通过该特征直接从控制电路得到风速信息. 从图4 也可看出, 输出的信号是同步信号, 可以直接接入单片机接口.

　　据本实验室已往的研究, 用风速计恒温差控制电路来测风速时, 影响该原理在实际中应用的最大问题是系统的输出会有比较大的温漂. 为了使设计的电路能够满足实际测试的需要, 因此在本次试验中, 对脉冲调制型控制电路的温漂特性也进行了详细的测试:

　　上图给出的是脉冲调制型恒温差风速计控制电路的温漂特性, 纵坐标为输出电压( 输出脉冲序列的有效电压) , 横坐标是温度. 其中A 曲线是整个传感器系统温度都变化时输出电压有效值的曲线, B 是只有传感器电桥部分的电阻( 电阻有相同的温度系数) 温度变化时输出电压有效值的曲线, C、D 分别为只有放大电路部分( 信号放大电路和比较器电路)和只有传感器部分( 包括两个测温二极管和加热电阻) 温度变化时输出电压有效值的曲线.

　　假定上述的各条曲线都是线性的, 对测试数据线性拟合, 最后得出各条曲线的斜率, 即传感器系统各个部分的温度灵敏度, 结果如下表( 考虑到测试精度问题, 计算结果只保留了两位) :

　　从表1 可见, 整个系统的温漂由两个主要部分决定, 即传感器部分和电桥上面的电阻部分, 而放大电路部分对系统温漂的贡献可以认为是零. 而且值得注意的一点就是, 对系统温漂贡献最大的两个部分的作用是反向的, 因此可以通过选择合适温度系数的电阻使两个部分的作用相互补偿, 使系统输出的温度系数为零.

　　3 结 论

　　为了实现良好的恒温差温度控制, 恒温差控制环路中要求要有大的环路增益, 但是, 大增益的放大器又引入了振荡问题. 为了处理好这一问题, 本实验采用了脉冲调制型的恒温差控制电路, 该电路解决了自由振荡模式的缺陷而且输出同步信号, 可以直接被单片机电路采样.

　　试验中对改进后的电路进行了温漂的测试, 测试显示, 高增益控制环路使输出结果的温漂与放大电路无关, 传感器桥路部分( 传感器和电桥上面的电阻) 的温漂决定了整个控制环路输出的温漂. 更重要的是, 从测试结果发现对系统输出温漂影响最重要和次重要的因素分别是传感器电桥结构上面的电阻和传感器部分, 而且它们的作用是反向的, 所以可以通过选择合理温度系数的电阻达到两种作用互相补偿的目的, 从而使系统输出的温度系数为零.

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