一种温度采样电路及其控制方法与流程

本发明属于温度检测技术领域，尤其涉及一种温度采样电路及其控制方法。

背景技术：

在新能源汽车领域，往往需要通过pt100或pt1000采集电机或部件的温度，通常的做法是通过电路产生恒流源，流经pt100或pt1000时会产生电压，通过采集的电压和已知的电流可以计算出电阻的阻值，进而知道电机或部件的温度。但由于在-40℃～+200℃的温度范围内，pt100的阻值变化约为84.6ω～177ω，pt1000的阻值变化约为846ω～1770ω，两种温度传感器的阻值变化是10倍的关系，通过一定的恒流源输出后产生电压的范围也是10倍的关系，mcu采集电压的范围很难兼容两种温度传感器，如果适合pt100采样，则对应pt1000的采样电压范围就会超出mcu的ad采样范围；如果适合pt1000采样，则pt100的电压范围会因为变化太小(为pt1000的十分之一)而导致采样不精准，因此，固定的恒流源输出电路很难兼容不同类型的温度传感器。

技术实现要素：

为解决现有的温度采样电路采用固定的恒流源输出电路难以兼容不同的温度传感器的技术问题，本发明提出的技术方案为一种新的温度采样电路，能够通过同一个电路，对恒流源电流输出进行连续调整，从而兼容不同的温度传感器，其具体内容包括：

一种温度采样电路，包括依次串联的恒流源产生电路、温度传感器、放大电路、mcu处理器、d/a转换单元，所述放大电路的输出连接所述mcu处理器；

所述mcu处理器通过io口输出pwm波形，并将所述pwm波形输入所述d/a转换单元，经所述d/a转换单元处理后产生参考电压vref输送给所述恒流源产生电路，并将所述参考电压vref返回所述mcu处理器；

所述mcu处理器将所述返回的参考电压vref与其预设的阈值比较以计算并调整所述pwm波形的占空比d或频率f，以与对应的温度传感器相匹配。

优选的，述恒流源产生电路根据输入的参考电压vref产生稳定的恒定电流，恒定电流经温度传感器后输出电压信号，所述电压信号通过放大电路处理后输出给mcu处理器；所述mcu处理器根据所述电压信号进而解析出温度传感器的阻值和对应的温度。

优选的，所述mcu处理器的预设的阈值与温度传感器的阻值相匹配。

优选的，所述d/a转换单元包括依次相连的二阶低通有源滤波电路、第一放大单元、一阶低通无源滤波电路。

优选的，所述的二阶低通滤波电路包括第一电阻rf1、第一电容cf1、第二电阻rf2、第二电容cf2，所述第一电阻rf1一端连接mcu处理器，一端分别连接第一电容cf1、第二电阻rf2；所述第一电容cf1另一端连接在第一放大单元的输出端，所述第二电阻rf2的另一端分别连接着所述第二电容cf2、运算放大器的正向输入端，所述第二电容cf2另一端接地。

优选的，所述第一电阻rf1、第一电容cf1、第二电阻rf2、第二电容cf2与pwm波形的频率f的关系为:

优选的，所述一阶低通无源滤波电路包括第三电阻rl、第三电容cl，所述第三电阻rl一端连接第一放大单元的输出端，另一端分别连接第三电容cl、mcu处理器、以及恒流源产生电路。

优选的，所述第三电阻rl、第三电容cl与pwm波形的频率f的关系为：

优选的，所述第一放大单元包括运算放大器u2、第四电阻rg、第五电阻rf，所述第五电阻rf一端连接运算放大器u2的输出端，另一端分别连接运算放大器u2的负向输入端、第四电阻rg；所述第四电阻rg另一端接地，所述运算放大器u2、第四电阻rg、第五电阻rf构成同相比例放大电路；所述参考电压vref与pwm波形间关系式为：

其中，其中vpwm为mcu控制器输出的电平，vpwm≤vcc。f为pwm波形的频率，d为pwm波形的占空比。

一种温度采样电路的控制方法，包括依次串联的恒流源产生电路、温度传感器和放大电路，mcu处理器和d/a转换单元，所述放大电路的输出连接所述mcu处理器；所述方法包括，

所述mcu处理器通过io口输出pwm波形，并将所述pwm波形输入所述d/a转换单元；

所述pwm波形经所述d/a转换单元处理后产生参考电压vref输送给所述恒流源产生电路，并将所述参考电压vref返回所述mcu处理器；

所述mcu处理器将所述返回的参考电压vref与其预设的阈值比较以计算并调整所述pwm波形的占空比d或频率f，以与对应的温度传感器匹配。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的温度采样电路，能根据不同温度传感器的阻值的不同，通过mcu处理器计算并调整输出pwm波形的占空比d或频率f，继而输出不同的恒定电流来供温度传感器测温使用，使得在一个采样电路兼容不同的温度传感器，并且使用闭环电路能精准的控制输出的模拟量vref精度，进而产生稳定精准的恒定电流，提高温度传感器的测温精度。

2、在优选方案中的温度采样电路，采用低通二阶有源滤波与一阶低通无源滤波的方式，能大大提高滤波效益。两阶有源低通滤波电路输入阻抗高，输出阻抗低，能提供一定的增益，且截止频率可调，使用该滤波电路能对pwm波形进行精确的滤波。在第一放大单元中接入lc型低通无源滤波器，经过lc型滤波器的滤波，可得到一个平滑的直流电，且lc型滤波器在电路变化波动时，也能起到很好的滤波效果，起到提高滤波精度的作用。

3、本发明中的温度采样电路控制方法，能根据不同温度传感器的阻值的不同，通过控制器调整输出pwm波形的占空比d或频率f，继而输出不同的恒定电流来供温度传感器测温使用，使得在一个采样电路兼容不同的温度传感器，并且使用闭环电路能精准的控制输出的模拟量vref精度，进而产生稳定精准的恒定电流，提高温度传感器的测温精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中的技术框架图；

图2为本发明实施例二中的电路原理图；

图3为本发明中实施例二中的pwm波形示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例一：

如图1所示的温度采样电路，包括依次串联的mcu处理器1、d/a转换单元2、恒流源产生电路3、温度传感器4和放大电路5，放大电路5的输出连接mcu处理器1。mcu处理器1通过io口输出pwm波形，并将pwm波形输入d/a转换单元2，经d/a转换单元2处理后产生参考电压vref输送给恒流源产生电路3，并将参考电压vref返回mcu处理器1；

mcu处理器1将返回的参考电压vref与其预设的阈值比较以计算并调整pwm波形的占空比d或频率f，以与对应的温度传感器4相匹配。

温度采样工作时，mcu处理器1输出信号，并通过mcu处理器1的输出端io输出至d/a转换单元2中，d/a转换单元2在接受到pwm波形后，将pwm波形转化为模拟量的参考电压vref，并将输出的参考电压vref通过反馈电路反馈给mcu处理器1，mcu处理器1在接受到d/a转换单元2反馈的参考电压vref后，将参考电压vref与mcu处理器1内预设的电压阈值进行比较，如果参考电压vref不在预设的电压阈值内，则通过mcu处理器1调整输出pwm波形的占空比d或频率f来计算并调节d/a转换单元2输出的参考电压vref，使得d/a转换单元2输出的参考电压vref在mcu处理器1内预设的电压阈值内，再将d/a转换单元2输出的在预设的参考电压阈值内的参考电压vref输送至恒流源产生电路3中，恒流源产生电路3依据输入的参考电压vref产生稳定的恒定电流，并将产生的恒定电流输至温度传感器4；温度传感器4在接受到恒定电流后开始采集温度，并将采集到的电压信号输送至放大电路5；放大电路在接受到电压信号后，对此电压信号进行放大处理，并将处理完毕后的电压值输送至mcu处理器1的第一数据输入端ad1，mcu处理器1在接受到放大电路5输送来的电压信号后，对该电压值进行解析，解析出温度传感器4的阻值和对应的温度，从而实现对温度的采集。

在本实施例中还包括一种温度采样电路的控制方法，该控制方法基于上述的温度采样电路，其方法具体是，mcu处理器1通过io口输出pwm波形，并将pwm波形输入d/a转换单元2；pwm波形经d/a转换单元2处理后产生参考电压vref输送给恒流源产生电路3，并将参考电压vref返回mcu处理器1；mcu处理器1将返回的参考电压vref与其预设的阈值比较以计算并调整pwm波形的占空比d或频率f，以与对应的温度传感器4匹配，使得d/a转换单元2输出的参考电压vref在mcu处理器1内预设的电压阈值内，再将d/a转换单元2输出的在预设的参考电压阈值内的参考电压vref输送至恒流源产生电路3中，恒流源产生电路3依据输入的参考电压vref产生稳定的恒定电流，即可通过控制pwm波形占空比d实现对恒流源产生电路3输出恒定电流的控制，且不同的温度传感器5对应不同的pwm波形占空比d。恒流源产生电路3将产生的恒定电流输至温度传感器4；温度传感器4在接受到恒定电流后开始采集温度，并将采集到电压信号输送至放大电路5；放大电路在接受到电压信号后，对此电压信号进行放大处理，并将处理完毕后的电压值输送至mcu处理器1的第一数据输入端ad1，mcu处理器1在接受到放大电路5输送来的电压信号后，对该电压值进行解析，解析出温度传感器4的阻值和对应的温度，从而实现对温度的采集。

实施例二：

如图2所示，本方案中的温度采样电路包括依次串联的mcu处理器1、d/a转换单元2、恒流源产生电路3、温度传感器4和放大电路5，放大电路5的输出连接mcu处理器1。

d/a转换单元2包括依次相连的二阶低通有源滤波电路、第一放大单元、一阶低通无源滤波电路。

二阶低通滤波电路包括第一电阻rf1、第一电容cf1、第二电阻rf2、第二电容cf2；第一放大单元包括运算放大器u2、第四电阻rg、第五电阻rf；一阶低通无源滤波电路包括第三电阻rl、第三电容cl。

所述第一电阻rf1一端连接mcu处理器输出口io口，另一端分别连接第一电容cf1、第二电阻rf2；所述第一电容cf1另一端连接在第一放大单元的输出端，所述第二电阻rf2的另一端分别连接着所述第二电容cf2、运算放大器u2的正向输入端，所述第二电容cf2另一端接地。

第一放大单元包括运算放大器u2、第四电阻rg、第五电阻rf，所述第五电阻rf一端连接运算放大器u2的输出端，另一端分别连接运算放大器u2的负向输入端、第四电阻rg；所述第四电阻rg另一端接地，所述运算放大器u2、第四电阻、第五电阻rf构成同相比例放大电路。

一阶低通无源滤波电路包括第三电阻rl、第三电容cl，所述第三电阻rl一端连接第一放大单元的输出端，另一端分别连接第三电容cl、mcu处理器的第二输入端ad2、以及恒流源产生电路。

恒流源产生电路3包括运算放大器u3、运算放大器u4、电阻r1、r2、r3、r4。

运算放大器u3的正向输入端连接d/a转换单元输出端，负向输出端和输出端连接，构成电压跟随器。电阻r1一端连接运算放大器u3的输出端，另一端连接运算放大器u4的正向输入端，电阻r4一端接地，另一端分别连接运算放大器u4的负向输入端、电阻r3；电阻r3另一端分别连接电阻r2、运算放大器u4的输出端，电阻r2的另一端分别连接运算放大器u4正向输入端、温度传感器的输入端，温度传感器的另一端连接连接放大电路。

放大电路包括放大滤波电路、第二放大单元。

放大滤波电路包括电阻r5、电容c1。电阻r5一端连接温度传感器、另一端分别连接运算放大器u5的正向输入端、电容c1；电容c1另一端接地。

第二放大单元包括电阻r6、电阻r7、运算放大器u5。运算放大器u5的负向输入端分别连接电阻r6、r7，电阻r7另一端接地；电阻r6的另一端分别连接运算放大器u5的输出端，此外运算放大器u5的输出端还连接mcu处理器的第一输入端ad1。

mcu处理器1的io口输出如图3所示的pwm波形，其中，该pwm波形的频率f可变，占空比d可变。当频率不变时，通过控制占空比d，或者当占空比d不变时，通过控制频率f，都可得到一个0～vcc的模拟量输出。

本方案中温度采样电路的具体的原理表述为：mcu处理器1的io口输出的pwm波形，经过第一电阻rf1、第一电容cf1、第二电阻rf2、第二电容cf2、第三电阻rl、第三电容cl组成的三阶低通滤波器，再通过运算放大器u2电路放大(1+rf/rg)倍，最后得到vref参考电压。该信号通过mcu处理器1的数据输入端ad2口采样用与mcu处理器1设置的电压阈值对比，计算并调整调整pwm频率f或占空比d，以得到高精度参考电压vref，该参考电压vref作为恒流源产生电路3的输入，调节恒流源产生电路3的输出的恒定电流大小。为了减少温度传感器4的自发热导致的误差，通常设计该电流值≤5ma(pt100采样)，≤0.5ma(pt1000)，恒定电流流过温度传感器4产生的电压信号经过后级放大电路5放大后送往mcu处理器1的ad1数据输入端，实现对温度传感器4的电压信号的采样，进而可以解析出温度传感器4的阻值和对应的温度。

(1)模拟参考电压vref与pwm波形的表达式

式中，vpwm为mcu处理器1输出的电平,vpwmh为mcu处理器1输出的高电平，vpwm≤vcc。f为pwm波形的频率，d为pwm波形的占空比。

(2)第一电阻rf1、第一电容cf1、第二电阻rf2、第二电容cf2、第三电阻rl、第三电容cl、滤波电阻r5、滤波电容c1选取的原则。

第一电阻rf1、第一电容cf1、第二电阻rf2、第二电容cf2、第三电阻rl、第三电容cl与pwm波形的频率f的关系如下：

式中，cf1、cf2、cl、c1≤1uf，rf1、rf2、rl、r5≥1kω。

式(2)为二阶低通有源滤波的截止频率的关系式，式(3)为一阶无源低通滤波器的截止频率的关系式。

(3)恒流源产生电路3参数选取原则：运算放大器u3主要的作用为电压跟随器，和运算放大器u4一起组成了恒流源产生电路3，为了便于计算，取1kω≤r1＝r2≤2kω，r3＝r4≥10kω。参考电压vref与恒定电流ic的关系式如下。

将式(1)带入式(4)中，可得关系式如下：

即可通过控制pwm波形占空比d实现对恒流源产生电路3输出恒定电流的控制，且不同的温度传感器5对应不同的pwm波形占空比d。

(4)放大电路5参数的选取原则：r6、r7构成了放大电路5的放大倍数，阻值选择应大于等于10kω，具体放大倍数应满足如下关系式：

若需要检测的最高温度为tmax，则可用近似公式计算出对应的rt值：

rt＝a*tmax+r0(8)

式(8)中：若温度传感器5为pt100时：a＝0.385,r0＝100ω

若温度传感器5为pt1000时：a＝3.85，r0＝1000ω

当检测的最大温度为tmax时，设mcu处理器1的ad1口最大检测电压为umax,将式(8)带入式(7)，要求式(7)满足如下关系式：

为了提高采样精度，放大电路5的放大倍数应使ut的最大采样值尽量接近umax。

(5)其他参数选取的原则

运算放大器u2，u3，u4，u5为轨到轨输出的运算放大器。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。