一种应用于AD转换模块的恒温电路设计

李正芬， 郭红梅， 雒宏礼， 陈琨

(1. 国网河南省电力公司济源供电公司，河南 济源 459099， 2.亿江(北京)科技发展有限公司，北京 100176)

一种应用于AD转换模块的恒温电路设计

李正芬1， 郭红梅1， 雒宏礼2， 陈琨2

(1. 国网河南省电力公司济源供电公司，河南 济源 459099， 2.亿江(北京)科技发展有限公司，北京 100176)

研究一种恒温控制电路。以热敏电阻为温度测量元件，加热电阻加热的方法实现一种简单、稳定的恒温电路。当环境温度在-25 ℃～+75 ℃变化时，恒温控制电路可以使恒温盒内的温度变化在±1 ℃，从而保证AD采样模块在一个恒定的环境中工作，最大程度减少了由于温度变化带来的高精度器件精度漂移。

恒温；硬件；电路设计；高精度器件；精度漂移

0 引 言

随着现代科技的飞速发展，高精度器件的使用环境越来越苛刻。对于本电力采集产品来讲，安装在PT侧，需要耐受100 ℃的温度变化，很大程度的影响电力产品中高精度器件的稳定性、高可靠性。为了保证电力采集产品中的AD采样模块在一个恒定的环境中工作，提出了恒温控制电路的设计。本文设计一种恒温控制电路，主要通过加热电阻加热的方法来稳定恒温盒的温度，并通过仿真测试和电力产品现场实际使用验证了该方法的切实可行，使系统获得高可靠性提供了一种有参考价值的方法。

1 电路设计

1.1 设计思路

恒温电路设计的研究主要用于电力采集产品上，对电力采集产品来讲，安装在PT侧，需要耐受100 ℃的温度变化，却要求万分之五的精度。除需要从理论上进行最终的计算和分析外，还要考虑各种因素。如其中重要的一个因素高精度器件的温漂，器件稳定性、可靠性受温度变化的影响，是电子器件不可回避的问题。对于电力采集产品中高精度的AD采集模块，温漂的问题更为严重，要保证AD采集模块精度在允许的范围内，恒温电路的设计是很重要的[1]。基于对电力采集产品应用环境的考虑，将高精度的AD采集模块放置在恒温盒中，同时配合加热电阻来稳定恒温盒温度的方法，来保证环境在-20 ℃～+75 ℃变化时，恒温盒内的温度变化在±1 ℃，使电力产品在万分之五的精度范围以内稳定工作。

如图1所示恒温控制电路[2]，器件主要由分压电阻、热敏电阻、加热电阻、运放、三极管等组成，从设计上看电路设计简单、稳定性好。选择的运放是低价、高性能、低噪声的双运算放大器ne5532，热敏电阻选择低价，对温度反应灵敏的电阻。

图1 温度控制电路

根据电路，为了保证恒温盒内的器件工作最佳状态，首先确定恒温盒内要保持的恒定温度，通过测试和计算，恒温盒的温度恒定在75 ℃为最佳,AD采集模块可以稳定的工作，电力产品可以达到万分之五的精度[3]。

当温度降低时，通过分压电阻电路、负反馈电路、恒流源控制电路，加热电阻电路使温度稳定在75 ℃。

1.2 电路具体设计

如图1参数V1、V2、V3、V4的具体计算如下：

(1)

(2)

V1=V2

(3)

(4)

(5)

从上面的公式可知当温度降低时，热敏电阻RMF1变大，根据公式(2)V1变大，根据(3)式V2变大，根据(4)式V3变大，根据(5)式V4变大，后级运算放大ne5532同向输入端和反向输入端形成压差在通过后级负反馈放大电路，三极管的基极电压大于发射极电压，三极管导通，加热电阻加热，保持温度恒定。并且后级运放和三极管组成的恒流源控制电路，抑制了输出电流的增大，稳定了输出电流。

具体分析如：当温度低于75 ℃时，由于热敏电阻(MF1是负温度系数的热敏电阻)的阻值变大，V0≠V1，V1>V0，根据深度负反馈电路虚短、虚断的特点，R18上有电流，在经过负反馈电路放大，后级运算放大U2B同向输入端和反向输入端形成压差，输出电压放大，三级管基极电压大于发射极电压，三级管导通，有电流流过加热电阻，加热电阻加热，再通过三极管、运算放大U2B、电阻等组成的恒流控制源电路控制流过加热电阻电流[4]，使恒温盒温度保持在75 ℃左右。

在设计过程中，要理论计算配合仿真软件。下面是Saber Sketch软件仿真结果，根据热敏电阻负温度系数特性，在仿真过程中给热敏电阻设定不同的参数值，从而达到模拟温度升高和温度降低环境的目的。仿真如下：

(1) 1.5 k的仿真结果(见图1)

图2 热敏电阻阻值为1.5 kΩ的仿真结果

当热敏电阻为1.5 kΩ时，此时恒温盒应该保持在此恒定的温度下，通过仿真观察到，此时三极管处于放大状态，三极管导通，但是流过加热电阻的电流很小，所以温度还是保持在75 ℃左右。

(2) 100 Ω的仿真结果(见图2)

图3 热敏电阻阻值为100 Ω的仿真结果

当热敏电阻为100 Ω时，U2A运放正向端电压比1.5 kΩ时减小，由运放的虚短、虚断的特性可知R18上有电流流过运放，但是由于负反馈，R21一端的电压为负电压，根据负反馈电路、恒流源控制电路特性和三极管导通条件，此时三极管处于截止状态，加热电阻没有电流流过，不发热。而且根据实际软件仿真如上图三极管不导通。加热电阻不工作。

(3) 5.1 k的仿真结果(见图3)

图4 热敏电阻阻值为5.1 kΩ的仿真结果

当热敏电阻为5.1 kΩ时，U2A运放正向端电压比1.5 kΩ时增大，由运放的虚短、虚断特性可知R18上有电流流过运放，根据负反馈，R21一端的电压为正电压，根据恒流源控制电路、负反馈和三极管导通条件，此时三极管处于饱和导通状态，发热电阻上有电流通过，加热电阻加热，使得恒温盒内的温度升高。而且根据实际软件仿真如上图三极管导通，加热电阻工作，使温度恢复到+75 ℃[5]。

2 应 用

电力采集产品安装在PT侧，需要耐受100 ℃的温度变化，还要求精度在±0.05%以内。AD转换模块是电力采集产品的重要模块，对温度的变化更加敏感，AD转换模块采用ADS8329IRSARG4[6]芯片，其采样精度16位，零位漂移0.4×10-6/℃，增益漂移0.75×10-6/℃，这款芯片具有高精度和高采样率的优点，但对温度变化敏感。

AD[7]转换模块在电路设计和器件选择上，尽量保证采样电压的精度并最大程度减小温漂。但还是要考虑温度在-25 ℃～+75 ℃变化时，AD模块精度漂移。温漂造成的输出变化必须通过恒温或者温度补偿来去除。由于温度补偿电路需要在芯片设计之初加入，而且无法做到完全补偿，因此，要得到稳定的输出，则必须稳定系统的工作温度，所以AD转换模块放在恒温盒里，在通过恒温控制电路保证温度的恒定。

3 测 试

恒温设计电路主要保证D采样模块所处的环境温度变化在±1 ℃，电力采集产品是三相电压，通过三路选通信号对模拟开关74LVC1G3157的控制使得三项交流(A、B、C)模拟信号能够经过滤波后进入到AD转换芯片中，实现模拟到数字的转换，在通过电力还原产品还原成模拟信号。如果环境温度在-25 ℃～+75 ℃变化时，电力采集产品和还原产品通过压降仪测试读出的三相电压的差值的幅值在0%～0.06%，相位在0(′)～3(′)之间变化，说明恒温硬件电路设计合理。

如表1。

表1 常温

如表1电力采集产品三相电压A、B、C的幅值、相位在常温时都在理论的范围内。

如表2电力产品三相电压A、B、C的幅值、相位在高温时都在理论的范围内，恒温控制电路可以在高温时控制恒温盒温度的恒定。

表2 高温105 ℃

如表3电力采集产品三相电压A、B、C的幅值、相位在低温时都在理论的范围内，恒温控制电路可以在低温时控制恒温盒温度的恒定。

表3 低温-25 ℃

4 结束语

本文应用一种低成本的热敏电阻，以及尽可能少的辅助元件，实现了用加热电阻加热稳定温度的方法。该电路结构简单、占用空间小，可以应用于高精度AD芯片模块等一系列电路的温度控制。

[1] 吴疆，何萌，吴方．高精度温度控制方式述评[J]．计测技术，2008，28(3):5-7．

[2] 张洪昌，田会方，赵恒．高精度恒温控制电路[J]．武汉理工大学学报，2006,28(4):38-40．

[3] 张雄伟，陈亮，徐光辉DSP芯片的原理与开发应用[M]．3版.北京:电子工业出版社，2003．

[4] 王学纪．功率运算放大器在压控电流源中的应用[J]．国外电子元器件,1998,5(9):19-21.

[5] 徐江海、张志良.单片机使用教程[M].北京：机械工业出版社，2006．

[6] 李兆军，纪平，娄晓光．高精度温度控制系统设计[J]．电子测量技术，2007，30(2):146-148．

[7] 李苏文．用2个8位AD替换16位AD[J]．电测与仪表， 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，河南济源人，高级工程师、高级技师，国网河南省电力公司济源供电公司，主要从事电力计量技术研究。 郭红梅(1973-)，女，河南济源人，高级经济师，国网河南省电力公司济源供电公司，主要从事信息通信技术研究。 陈琨(1974-)，男，陕西人，技术总工，亿江(北京)科技发展有限公司工作，主要从事无线、光纤通信、电力设备的研发工作。 雒宏礼(1975-)，男，陕西人，技术总工，亿江(北京)科技发展有限公司工作，主要从事无线、光纤通信、电力设备的研发工作。

定稿日期: 2014-06-13