变压器隔离式高精度陀螺仪表直流温控系统

高晓琴

(西安航天精密机电研究所，西安710100)



变压器隔离式高精度陀螺仪表直流温控系统

高晓琴*

(西安航天精密机电研究所，西安710100)

摘要:液浮陀螺仪表对温度十分敏感，采用高精度温控系统能有效改善和提高液浮陀螺仪表的性能指标，为此，研制了一种变压器隔离式高精度陀螺仪表直流温控系统:该系统采用温度采集电路控制调压电路(即DC－DC电源变换电路)的输出直流电压(即加温电压)的特性，以实现温控功能，温控精度高达0.004℃。试验证明该方法可行。

关键词:直流温控;变压器隔离;调压;温度采集;电路

高精度的温度控制是高精度液浮陀螺关键问题之一，所以高精度温控系统的研究成为高精度液浮陀螺的一个重要课题，液浮陀螺对温度十分敏感主要表现在: (1)浮液温度波动，使输出轴承产生随机摩擦力矩; (2)温度变化引起浮子组件质心位移，结构热应力、力矩器磁缸磁性能产生变化; (3)浮液轴向与径向温度梯度产生对流力矩，是陀螺产生稳态常值漂移力矩。因此，陀螺温度控制要求:浮液温度控制在允许工作温度精度内，温度场要均匀，并对其他系统不产生干扰。为此，采用温度采集电路和DC －DC变换技术，研制了一种高精度直流温控电路，对温控系统进行了精心设计，包括选择性能稳定的铂热敏感元件、低漂移高输入阻抗的前置放大器并合理设计了隔离变压器及滤波电感器参数，经试验证明温控精度高，性能稳定，具一定的实用价值。

1　变压器隔离式直流温控系统的组成

1.1温度采集电路

为了保证温度采集电路精度，热敏感电阻采用性能稳定的铂电阻，在整个温度范围内线性度良好，但铂电阻温度系数小，故使温控精度受到限制，在前置放大器中提高放大倍数进行补偿;为了减小引线电阻的影响，电桥与铂电阻采用三线制接法，电桥中其他电阻采用RCK电阻精密电阻器，前置放大器采用低漂移高输入阻抗的运放。

1.2脉宽调制器

为了保证温控精度，选用SG1525AJ脉宽调制器，内部设置5.1 V±1%精度基准源。电路设置欠压锁定，当输入电压低于正常工作电压时，关断输出脉冲，PWM比较器后设置锁存器，防止一个周期内多个脉冲输出。温度采集电路输出信号作为脉宽调制器的输入信号，控制脉宽调制器同时产生两路相差180°的调宽方波送给隔离变压器。

1.3隔离变压器

隔离变压器在电路中既起到功率传递的目的，同时起到温控系统供电电源与加温电源的隔离作用，提高了整个温控系统的抗干扰能力，使温控系统采用单电源供电也具有高的温控精度。变压器的参数设计决定了整个温控系统的最大加温功率。而且，可以有效控制温控系统超调量、快速性及稳定时间。

1.4整流滤波

确保温控系统加热片加温电压平稳，无波动，输出低纹波的直流电压，提高温控精度，采用了经全桥整流及电感和电容滤波，对滤波电容、电感参数进行了多次实验验证，使加温电压纹波在精度要求范围之内。当温度稳定在欲设值以后，加温电流为直流(即温控系统发热量与散热量达到平衡时，系统为恒压、恒流加温，不会在陀螺仪表周围空间产生周期变化磁场)。

2　直流温控系统电路

直流温控系统是一个利用温度信号控制直流电压的，负反馈温度控制系统，加温功率为直流线性变化功率，其原理框图，如图1所示。

图1　变压器隔离式惯性仪直流温控系统框图

2.1温度采集电路

温度采集电路如图2所示，R5*用来调整温控系统放大倍数即改变系统响应快速性，根据系统综合指标合理设置R5*，可以补偿铂热敏电阻温度系数小的缺点。运放选用高精度F07 A:输入偏置电流为±0.7 nA，输入差模阻抗为80 MΩ，输入共模阻抗为200 GΩ，超低失调电压10 μV、超低失调电压漂移0.2 μV/℃，不需要外部元件调整，是一种低噪声的双极性运算放大器，高精度特性使它特别适用于放大传感器的微弱信号。

图2　温度采集电路原理

2.2调压电路(DC－DC电源变换电路)

调压电路是由脉宽调制器、隔离变压器、整流滤波等组成。调压电路详细工作原理如图3所示。

图3　调压电路原理图

调压电路是整个温控系统的核心，温度信号控制加温功率线性变化的功能由该部件实现。其控制过程为:随着陀螺仪温度的变化，引起脉宽调制器输出的两路相差180°的方波的变化，使用该调宽方波推动两个VMOS管工作，VMOS管带动隔离变压器工作，再经全桥整流及电感和电容滤波后变成低纹波的直流电压，该电压作用于加热片。温度采集电路将当前实时温度不断反馈给脉宽调制器输入端，重复上述过程，最终实现陀螺仪温度精确控制功能。调压电路(DC－DC电源变换电路)输出电压及其纹波由隔离变压器、整流桥和滤波电路决定，合适的参数设计可以有效提高温控精度。

3　变压器隔离式直流温控系统的测试与结果

变压器隔离式高精度直流温控系统，分别在低温(－40℃)、常温(23℃)、高温(55℃)情况下进行了环境可靠性试验(将温度控制电路与陀螺仪表同时置于温箱内，并用导线引出陀螺仪内置测温电阻至温箱外，用数字万用表测试并记录测温电阻阻值，该阻值能实时反应液浮陀螺仪温度)，温箱显示到温后保温2 h，給该温控系统通电，通电12 min后，测得温控精度分别为: 0.004℃、数据不变、0.004℃，将实验记录数据(测温电阻阻值与时间)绘制响应曲线如图4所示;全温范围内温控精度为±0.5℃。该系统精度高、加温功耗小、响应速度快、稳定时间短、超调小。

图4　变压器隔离式高精度直流温控系统实验数据图

4　结束语

利用温度采集电路控制脉宽调制器输出波形的方法和利用变压器隔离及电能转换的特性，实现对高精度惯性仪的直流温控功能。以线性变化功率实现加温，不会在陀螺仪表周围产生交变磁场，同时避免了开关式控制加温功率使液浮温度场周期变化的问题。经试验验证低温、常温、高温三种情况下测试温控精度分别为: 0.004℃、数据不变及0.004℃;全温范围内温控精度为±0.5℃。本系统利用温度采集电路控制调压电路是一种新的温控方式，该电路可推广至物理实验或其他领域。

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高晓琴(1977－)，女，汉族，陕西延安人，陕西苍松机械厂工程师，主要从事电路设计与分析，1216928837@ qq.com。

Design of a 3.3 V Low Supply Voltage 1553B Bus Transceiver*

YIN Qin1，YU Zongguang1，2*，WEI Jinghe1，2，HU Shuigen2
(1.School of Internet of Things，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China;
2.China Electronics Technology Group Corporation，No. 58 Research Institute Wuxi Jiangsu 214035，China)

Abstract:A system structure of bus transceiver based on 1553B bus is presented，and a 3.3 V low supply voltage 1553B bus transceiver which dynamic power dissipation is decreased effectively is designed.The simulation and test results show that all the transmitting and receiving function of this bus transceiver are realized with 3.3 V supply voltage.The maximum dynamic power dissipation of 100% duty transmitter cycle is 0.5 W，which declines 1.7 W compared to the 5 V supply voltage 1553B bus transceiver.The chip is fabricated at 0.5 μm DPTM BCD(15 V) CMOS processes，and is adopted in low supply voltage 1553B bus product.

Key words:transceiver; low power dissipation; low voltage supply; 1553B bus

中图分类号:O318; V241.5

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0643－03

收稿日期:2014－06－06修改日期: 2014－07－30

doi:EEACC: 121010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.035