本發明涉及一種直流源的控制電路,特別涉及一種高精度低溫漂直流源的控制電路及其溫度補償方法。
背景技術:
1、高精度直流源的輸出電流的精度一定程度上由采樣單元的選擇及其精度決定,此外在汽車、船舶、飛機、衛星等環境溫度變化范圍較廣的領域,采樣單元的溫漂也不容忽視。常用的電流采樣有霍爾采樣和電阻采樣兩種方式,制造霍爾電流傳感器使用的半導體材料對溫度比較敏感,采樣電阻阻值會隨著溫度的變化而變化,因此無論采用何種電流采樣方式,為了得到高精度低溫漂的輸出電流,都必須進度溫度補償。
2、霍爾電流傳感器由于其較大的體積限值了在高功率密度小功率電源上的應用,電阻采樣成本低、適用性好,在高功率密度小電流采樣的電源上應用更廣泛。現有的高精度小電流直流電源輸出電流在某一恒定溫度下電流誤差約0.01%(相對額定輸出電流),溫漂達70ppm/k。以輸出0~±5a,溫度范圍-10℃~55℃的直流電源為例,整個直流電源精度=(某一恒定溫度下的電流誤差*額定電流+溫漂*溫度變化范圍)/額定電流=0.1%。可以看出溫漂對電流精度影響更大,溫漂影響電流采樣的機理為:采集到的反映被采樣電流大小的電壓(或電流)信號會受到溫度的影響而產生一定誤差,為了達到更高的精度,必須進行溫度補償。因此常用的基于采樣電阻的溫度補償控制方式有:
3、1、對采樣電阻進行恒溫控制(見圖1,圖中1為電流采樣電阻單元,2為電流采樣電阻單元的加熱單元,3為溫度采樣單元,4為恒溫控制單元),使得反映被采樣電流大小的電壓(或電流)信號不受溫度的影響,該方式需要增加控制裝置會大大增加電源的體積;
4、2、采集采樣電阻溫度,并測試出溫度與所采集到的反映被采樣電流大小的電壓(或電流)信號誤差與溫度之間的關系,從而利用運放搭建具體運算電路進行補償(圖2),該方式需要增加溫度采集電路和一定的運算電路,也增加了硬件電路的體積;
5、3、采集采樣電阻溫度,并測試出溫度與所采集到的反映被采樣電流大小的電壓(或電流)信號誤差與溫度之間的關系,利用查表法、神經網絡法等在軟件中進行溫度補償(圖3),該方法在硬件上增加了溫度采集電路,在軟件上復雜的算法占用了很大的內存空間。
6、4、濾波法,在采樣電路中增加濾波電路或在軟件中增加濾波算法,該方法可以一定程度上可以提高電流精度,但是會犧牲電流的響應速度。
技術實現思路
1、為了得到一種無需增加額外的電路且無需復雜的算法的簡便的提升直流源的輸出電流的精度的辦法,本發明提出一種高精度低溫漂直流源的控制電路及其溫度補償方法,在輸出0~±5a,溫度范圍-10℃~55℃條件下,輸出電流的精度可達0.065%。
2、為實現上述目的,本發明的技術方案是:一種高精度低溫漂直流源的控制電路,包括采樣補償單元、放大單元、adc轉換單元、主控單元和驅動單元,采樣補償單元和放大單元中增加溫度補償電源,用于消除溫漂對控制電路精度的影響,通過對控制電路在中心溫度下輸出正負不同電流下進行線性擬合,得出采集電流和實際電流的關系,并將該關系式在控制軟件中進行補償,最終恒流源在輸出0~±5a,溫度范圍-10℃~55℃條件下,使輸出電流的精度從0.1%提升至0.042%。
3、進一步,采樣補償單元由采樣電阻和采樣溫度補償電阻組成,溫度補償電阻與采樣電阻進行串并聯,負責采集需控制的電流將其轉換成電壓信號。
4、進一步,溫度補償電源的溫度系數與采樣電阻阻值相同、溫度系數數值相同,符號相反,用于抵消電阻溫漂對采樣補償單元精度的影響。
5、進一步,放大單元由高精度低溫漂運放和增益電阻組成,用于將采樣單元的電壓信號進行放大,增益電阻和增益補償電阻串并聯,且兩種電阻阻值相同、溫度系數數值相同,符號相反,用于抵消增益電阻溫漂對放大單元精度的影響。
6、進一步,主控單元由dsp組成,通過軟件編程將adc送入能體現電流大小的數字量換算成測量電流值im后通過pi調節控制器發出pwm控制信號給驅動單元。
7、進一步,驅動單元收到主控單元的pwm控制信號轉換成能控制開關器件動作的信號,從而控制開關器件高頻的動作以獲得需要輸出的電流值。
8、一種高精度低溫漂直流源的溫度補償方法,采用高精度低溫漂直流源的控制電路,該溫度補償方法采用在整個溫度范圍的中心溫度下在不同正負電流下線性擬合得出電流采集值與電流實際值的關系,并在控制軟件中對電流給定值進行補償,該溫度補償方法無需增加溫度采集電路和復雜的軟件算法且無濾波,使得電路及控制方法簡單有效。
9、進一步,該溫度補償方法,包括以下實施步驟:
10、s1,恒流源的控制電路嵌入的控制軟件中不考慮溫漂的影響,按理想的條件下計算出電流采集值進行控制;
11、s2,恒流源的控制電路上電且將其放置在22.5℃溫箱中,直到該恒流源所處溫度達到22.5℃穩定;
12、s3,給恒流電源設定輸出電流分別為0a、±0.5a、±1a……±5a,使用高精度電流測量儀器測量恒流源實際輸出電流分別為i0至i9,其中i0~i9為電流實際值,0a、±0.5a、±1a……±5a為電流采集值;
13、s4,基于經過在22.5℃下補償后在-10℃下的精度測量的數據,對其進行最大限度的線性擬合,得出采集值與實際值的關系式im=gain×ireal+b,,gain=1.0091,b=-0.0006;
14、s5,將s4所得采集值與實際值的關系式在主控單元中的dsp芯片內嵌入的軟件中對給定值進行補償;
15、s6,將該電流源放置于-10與55℃下進行驗證,得到驗證結果。
16、進一步,該溫度補償方法,實際操作后精度達到0.042%,高于經理論計算出的0.065%精度。
17、本發明的有益效果是:
18、本發明所述的控制電路既未進行溫度采集,也未進行軟件濾波和查表,通過采用溫度補償電阻消除采樣單元的溫漂,減小放大單元的溫漂,在溫度范圍內中點溫度22.5℃時在不同電流下進行采集并進行線性擬合,以得到該溫度范圍下的輸入輸出的線性關系,并在其他溫度下進行驗證。
19、在22.5℃下的線性擬合得到的系數為gain=1.0091和b=-0.0006:并基于此系數進行補償后得到的精度為0.00978%[圖4],在該組系數下分別在-10℃和55℃下進行精度計算,得到的結果為0.038%和0.042%[圖5]。因此通過本發明所述的控制電流及溫度補償方法,輸出0~±5a,溫度范圍-10℃~55℃的直流電源精度可從0.1%提升至0.042%。
1.一種高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:包括采樣補償單元、放大單元、adc轉換單元、主控單元和驅動單元,采樣補償單元和放大單元中增加溫度補償電源,用于消除溫漂對控制電路精度的影響,通過對控制電路在中心溫度下輸出正負不同電流下進行線性擬合,得出采集電流和實際電流的關系,并將該關系式在控制軟件中進行補償,最終恒流源在輸出0~±5a,溫度范圍-10℃~55℃條件下,使輸出電流的精度從0.1%提升至0.042%。
2.根據權利要求1所述的高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:采樣補償單元由采樣電阻和采樣溫度補償電阻組成,溫度補償電阻與采樣電阻進行串并聯,負責采集需控制的電流將其轉換成電壓信號。
3.根據權利要求2所述的高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:溫度補償電源的溫度系數與采樣電阻阻值相同、溫度系數數值相同,符號相反,用于抵消電阻溫漂對采樣補償單元精度的影響。
4.根據權利要求1所述的高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:放大單元由高精度低溫漂運放和增益電阻組成,用于將采樣單元的電壓信號進行放大,增益電阻和增益補償電阻串并聯,且兩種電阻阻值相同、溫度系數數值相同,符號相反,用于抵消增益電阻溫漂對放大單元精度的影響。
5.根據權利要求1所述的高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:主控單元由dsp組成,通過軟件編程將adc送入能體現電流大小的數字量換算成測量電流值im后通過pi調節控制器發出pwm控制信號給驅動單元。
6.根據權利要求5所述的高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:驅動單元收到主控單元的pwm控制信號轉換成能控制開關器件動作的信號,從而控制開關器件高頻的動作以獲得需要輸出的電流值。
7.一種高精度低溫漂直流源的溫度補償方法,采用高精度低溫漂直流源的控制電路,其特征在于:該溫度補償方法采用在整個溫度范圍的中心溫度下在不同正負電流下線性擬合得出電流采集值與電流實際值的關系,并在控制軟件中對電流給定值進行補償,該溫度補償方法無需增加溫度采集電路和復雜的軟件算法且無濾波,使得電路及控制方法簡單有效。
8.根據權利要求7所述的高精度低溫漂直流源的溫度補償方法,其特征在于:該溫度補償方法,包括以下實施步驟:
9.根據權利要求8所述的高精度低溫漂直流源的溫度補償方法,其特征在于:該溫度補償方法,實際操作后精度達到0.042%,高于經理論計算出的0.065%精度。