【发明授权】NTC温度线性化采样电路_三江学院_201910587882.9 

申请/专利权人:三江学院

申请日:2019-07-02

发明/设计人:王枢华;花怀海

公开(公告)日:2021-04-27

代理机构:南京先科专利代理事务所(普通合伙)

公开(公告)号:CN110333003B

代理人:孙甫臣

主分类号:G01K7/25(20060101)

地址:210012 江苏省南京市雨花台区铁心桥龙西路310号

分类号:G01K7/25(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.04.27#授权;2019.11.08#实质审查的生效;2019.10.15#公开

摘要:本发明公开了一种NTC温度线性化采样电路,包括电阻分压电路、电压比较电路和触发器;电压比较电路包括第一比较器和第二比较器;第一比较器和第二比较器的正向输入端共接,并经一反馈电阻与触发器输出端连接,同时经一电容接地;第一比较器的输出端连接至触发器的阀值端,第二比较器的输出端连接至触发器的触发端;电源电压经电阻分压电路分压后分别连接至第一比较器的反向输入端和第二比较器的反向输入端。该电路把NTC原本为超越函数的电阻与温度关系,转化为线性关系,大大提高了应用NTC采集温度的精度;该电路控制灵活方便,参数整定简洁。

主权项:1.一种NTC温度线性化采样电路,其特征是,包括电阻分压电路、电压比较电路和触发器;电压比较电路包括第一比较器和第二比较器;第一比较器和第二比较器的正向输入端共接,并经一反馈电阻与触发器输出端连接,同时经一电容接地;第一比较器的输出端连接至触发器的阈值端,第二比较器的输出端连接至触发器的触发端;电源电压经电阻分压电路分压后分别连接至第一比较器的反向输入端和第二比较器的反向输入端;所述电阻分压电路包括串联在电源VCC与地之间的第一电阻和第二电阻,第一电阻和第二电阻分压后连接至第二比较器的反向输入端;所述电阻分压电路包括串联在电源VCC与地之间的第三电阻和第四电阻,第三电阻和第四电阻分压后连接至第一比较器的反向输入端;所述第一电阻的阻值为NTC零度时的电阻值,第二电阻为NTC当前温度时的电阻值。

全文数据:NTC温度线性化采样电路技术领域本发明涉及一种NTC温度线性化采样电路,属于采样电路技术领域。背景技术目前采集温度通常的方法有:使用物理温度计、电子温度计、PT线性电阻;工业上还使用热电偶采集设备温度的变化;这些温度采集的所有方法,都离不开一个共同的要求:希望采集的温度是均匀、线性的,这样采集的温度有助于提高我们对温度变化的预见性;同时提高对各级各类设备温度的控制精度。目前较常用的线性温度传感器DS18B20,它采用单总线设计,虽精度较高,但因技术保护,目前我国还没有与此相媲美的温度采集器。温度采集器的应用领域非常广泛,人们的日常生活、生产以及各级各类的产品中都离不开温度参数的测量。NTCNegativeTemperatureCoefficient作为一种半导体电阻器件,其电阻与温度的变化关系为:其中:Rt为NTC温度为t℃时的电阻值、R0为NTC温度为0℃时的电阻值、Tt=273+t为t℃时的开尔温度、T0=273+0为0℃时的开尔温度、B为NTC开尔常数。由式1可知:NTC的电阻值与温度关系是一种超越函数关系,为严重非线性关系。而采集的温度也是非线性的,因此,从根本上说无法用NTC采集温度。发明内容本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,解决了NTC温度采样的非线性化问题,并设计出一种NTC温度线性化采样电路。为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:一种NTC温度线性化采样电路,其特征是,包括电阻分压电路、电压比较电路和触发器;电压比较电路包括第一比较器和第二比较器;第一比较器和第二比较器的正向输入端共接,并经一反馈电阻与触发器输出端连接,同时经一电容接地;第一比较器的输出端连接至触发器的阀值端,第二比较器的输出端连接至触发器的触发端;电源电压经电阻分压电路分压后分别连接至第一比较器的反向输入端和第二比较器的反向输入端。进一步地,电阻分压电路包括串联在电源VCC与地之间的第一电阻和第二电阻,第一电阻和第二电阻分压后连接至第二比较器的反向输入端。进一步地,电阻分压电路包括串联在电源VCC与地之间的第三电阻和第四电阻,第三电阻和第四电阻分压后连接至第一比较器的反向输入端。进一步地,第一电阻的阻值为NTC零度时的电阻值,第二电阻为NTC当前温度时的电阻值。进一步地,将NTC采集的摄氏温度转化为与K×lnR0Rt成线性关系,K为整定常数,R0为NTC为零度时的电阻值,Rt为NTC当前温度时的电阻值;电容的充放电的总时间与RC×lnR0Rt成正比,利于这一关系来计算K×lnR0Rt;式中,R为反馈电阻的阻值,C为电容的容值,R0为NTC零度时的电阻值,Rt为NTC当前温度时的电阻值。进一步地,所述触发器的输出端输出周期与K×lnR0Rt成正比的方波信号;式中,K为整定常数,R0为NTC为零度时的电阻值,Rt为NTC当前温度时的电阻值。进一步地,触发器采用LM555CN电路。进一步地,第一比较器和第二比较器均采用TLC393CD芯片。进一步地,第一电阻和第二电阻中,其中一个电阻为精密固定电阻,另一个电阻为精密热敏电阻。进一步地,第三电阻和第四电阻均为精密固定电阻。本发明所达到的有益效果:本发明提供了一种NTC温度线性化采样电路,该电路把NTC原本为超越函数的电阻与温度关系,转化为线性关系,大大提高了应用NTC采集温度的精度;该电路控制灵活方便,参数整定简洁。加上线性化补偿算法的应用,使NTC温度采集系统的精度远超数字温度传感器,大大扩展NTC的应用范围。本发明采用对数线性化硬件电路较好地解决了NTC温度采样的非线性化问题,提高了温度采样的精度,其理论相对误差约为:完全满足日常生活和工业生产对温度采集的要求,可以说是一款能与数字温度传感器相媲美的新型模拟温度传感器。附图说明图1是本实施例NTC线性化采样电路图;图2是电容充放电曲线图;图3是摄氏温度曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。由NTC电阻与温度的变化关系式1分析可知,可以将NTC采集的摄氏温度转化为与K×lnR0Rt成线性关系,K为整定常数,Rt为NTC温度为t℃时的电阻值、R0为NTC温度为0℃时的电阻值。因此如果需要准确的计算K×lnR0Rt的数值,其中的对数函数计算是关键,K的数值通过电路整定或自学习就可以确定。在RC电路中,电容充放电时,电容两端的电压与充放电时间为指数关系,那么电容的充放电时间与两端的电压即为对数关系,本发明正是巧妙地利用这一关系,来计算K×lnR0Rt的数值,线性化采样电路如图1所示。该线性化采样电路主要包括电阻分压电路、电压比较电路和触发器。电阻分压电路:包括串联在电源VCC与地之间的电阻R0精密固定电阻和电阻Rt精密热敏电阻与串联在电源VCC与地之间的电阻R4精密固定电阻和电阻R5精密固定电阻,通过电阻分压,获得比较器翻转的参考电压。其中,电阻R0和电阻Rt的共接点连接至第二电压比较器U1B中的反向输入端,电阻R4和电阻R5的共接点连接至第一电压比较器U1A中的反向输入端。其中,电阻R0为精密固定电阻,电阻Rt为精密热敏电阻;电阻R0的阻值为NTC零度时的电阻值,电阻Rt的阻值为NTC当前温度时的电阻值;电阻R4和电阻R5均为精密固定电阻,取值范围为30k到300k之间。电压比较电路:包括第一比较器U1A和第二比较器U1B。第一比较器U1A和第二比较器U1B的正向输入端共接,并经一反馈电阻R3与触发器输出端OUT连接,同时还经电容C1接地。第一比较器U1A的输出端连接至触发器U2的阀值端THR,第二比较器U1B的输出端连接至触发器U2的触发端TRI,用于触发触发器U2。本实施例中两个比较器均采用TLC393CD芯片。本实施例中触发器U2采用通用的LM555CN电路,LM555CN电路可以很方便的组成各种触发器或无稳态电路,在LM555CN的输出端OUT的3脚可以得到周期与K×lnR0Rt成正比的方波信号。该线性化采样电路工作过程如下:电路初始上电时,电容C1上的电压为零,第二比较器U1B输出端输出低电平,触发触发器U2的2脚触发端TRI,使其3脚输出端OUT输出高电平,通过反馈电阻R3开始给电容C1充电;当电容C1两端的电压充电到高于VCC2时,第一比较器U1A的输出端输出高电平,触发触发器U2的6脚阀值端THR,使其3脚输出端OUT输出低电平,电容C1通过反馈电阻R3进行放电;当电容C1两端的电压放电到低于时,第二比较器U1B的输出端又输出低电平,触发触发器U2的2脚触发端TRI,使其3脚输出端OUT输出高电平,又通过反馈电阻R3给电容C1充电;如此循环往复。电容的充放电时间的计算:1电容充电时间△t:电容C1在充电过程中,电容C1两端的电压随充电时间t成指数规律变化,设电路的充电电源电压为U0,则电容两端的电压:ut=U01-e-tRC,式中,R与线性化采样电路中的电阻R3阻值相当,C与线性化采样电路中的电容C1容值相当。那么在充电时间t1至t2的时间段内,电容电压由充电到所需要的时间:△t=t2-t1。下面来推导△t与电阻R0、Rt的关系。在线性化采样电路参考图中,电容C1两端的电压由:充电到所需要的时间△t=t2-t1为方便描述本实施例中可以设U0=VCC=1;首先电容C1两端的电压由零充电到需要时间为t1,电容充放电曲线图如图2其中触发器U2的3脚输出端OUT输出为方波。因为:其次电容C1两端的电压由零充电到需要时间为t2,又因为:所以:电容充电时间2电容放电时间△t':电容C1两端的电压由:放电到所需要的时间记为△t'=t'2-t'1;因为电容放电;电容两端的电压:ut=U0×e-tRC;所以又因为:所以:电容放电时间电容充放电的总时间△t+△t'=RC×lnR0Rt即上述线性化采样电路电容充放电的总时间与RC×lnR0Rt成正比,当然也可等同于与K×lnR0Rt成正比,所以NTC采集的摄氏温度与上述线性化采样电路电容充放电的总时间成正比;可以很方便的计算线性化采样电路电容充放电的总时间,经过整定就可以求得NTC的温度采样值,其数值显然是线性的。本发明采用NTC温度线性化采样电路解决了NTC温度采样的非线性化问题,提高了温度采样的精度,大大扩展了NTC的应用范围,可以说是一款能与数字温度传感器相媲美的新型模拟温度传感器。实施例1以图1所示的线性化采样电路参考图为主模块,该模块是以零度为基准,采集当前温度与零度的差,测得温度记为tR0;以同样的方式设置一个线性化采样电路,将原模块中的R0换为R50,该模块则是以50度为基准,采集当前温度与50度的差,测得温度记为tR50。由于与相等;且都期望等于25,所以通过调节硬件电路,使它们的计数值都等于25,也就是常温25度到两个参考点的温度距离差值都等于50-25=25-0;实际测量时tR0+tR50和可能不等于50,通过线性补偿算法,弥补tR0的测量误差,计算出补偿后的温度tRt代替tR0;补偿算法如下:实际补偿效果如下表5-1所示:表5-1实际补偿效果从上表的补偿计算结果数据可以看出,经过线性补偿算法的计算,使其测量精度大大提高,线性补偿算法的理论依据是多点参考的数据线性融合。摄氏温度t与K×lnR0Rt曲线图如图3:本系统电路采用两块线性化采样模块,需要进行双计数,因此也需要双整定自学习过程,即在25度时,调节充放电参数,使的tR0、tR50都等于25度,从而进一步提高采样精度。电路的基本工作步骤:1、对二个模块所产生的周期信号进行计数双计数;2、双整定,可以用软件来实现自学习过程,确定二个系数25tR0和25tR50;3、线性补偿,按上述线性补偿算法进行补偿计算;4、显示结果数码管动态显示。以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

权利要求:1.一种NTC温度线性化采样电路,其特征是,包括电阻分压电路、电压比较电路和触发器;电压比较电路包括第一比较器和第二比较器;第一比较器和第二比较器的正向输入端共接,并经一反馈电阻与触发器输出端连接,同时经一电容接地;第一比较器的输出端连接至触发器的阀值端,第二比较器的输出端连接至触发器的触发端;电源电压经电阻分压电路分压后分别连接至第一比较器的反向输入端和第二比较器的反向输入端。2.根据权利要求1所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,电阻分压电路包括串联在电源VCC与地之间的第一电阻和第二电阻,第一电阻和第二电阻分压后连接至第二比较器的反向输入端。3.根据权利要求1所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,电阻分压电路包括串联在电源VCC与地之间的第三电阻和第四电阻,第三电阻和第四电阻分压后连接至第一比较器的反向输入端。4.根据权利要求2所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,第一电阻的阻值为NTC零度时的电阻值,第二电阻为NTC当前温度时的电阻值。5.根据权利要求4所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,将NTC采集的摄氏温度转化为与K×lnR0Rt成线性关系,K为整定常数,R0为NTC为零度时的电阻值,Rt为NTC当前温度时的电阻值;电容的充放电的总时间与RC×lnR0Rt成正比,利于这一关系来计算K×lnR0Rt;式中,R为反馈电阻的阻值,C为电容的容值,R0为NTC零度时的电阻值,Rt为NTC当前温度时的电阻值。6.根据权利要求5所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,所述触发器的输出端输出周期与K×lnR0Rt成正比的方波信号;式中,K为整定常数,R0为NTC为零度时的电阻值,Rt为NTC当前温度时的电阻值。7.根据权利要求1所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,触发器采用LM555CN电路。8.根据权利要求1所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,第一比较器和第二比较器均采用TLC393CD芯片。9.根据权利要求2所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,第一电阻和第二电阻中,其中一个电阻为精密固定电阻,另一个电阻为精密热敏电阻。10.根据权利要求3所述的NTC温度线性化采样电路,其特征是,第三电阻和第四电阻均为精密固定电阻。

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