阅读说明：本技术 一种高精度测温控温电路 (High-precision temperature measuring and controlling circuit ) 是由 李永富 郭进 刘俊良 费宬 康佳龙 刘兆军 赵显� 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度测温控温电路。该电路具体包括测温电路、单片机和控温电路,测温电路中又包括单臂电桥测温电路、仪表放大电路和模数转换电路,控温电路中又包括数模转换电路、同相放大电路、低压差线性稳压电路、H桥控制电路。该电路通过测温电路能够准确测量和采集温度值,然后通过控温电路又可以实现对半导体制冷片进行高精度的温控控制,实现了在测温控温方面降低噪声、减少功耗、提高效率的目的。(The invention discloses a high-precision temperature measuring and controlling circuit. The circuit specifically comprises a temperature measuring circuit, a single chip microcomputer and a temperature control circuit, wherein the temperature measuring circuit further comprises a single-arm bridge temperature measuring circuit, an instrument amplifying circuit and an analog-to-digital conversion circuit, and the temperature control circuit further comprises a digital-to-analog conversion circuit, an in-phase amplifying circuit, a low-dropout linear voltage stabilizing circuit and an H-bridge control circuit. The circuit can accurately measure and collect temperature values through the temperature measuring circuit, and then can realize high-precision temperature control of the semiconductor refrigeration sheet through the temperature control circuit, so that the aims of reducing noise, reducing power consumption and improving efficiency in the aspects of temperature measurement and temperature control are fulfilled.)

一种高精度测温控温电路

技术领域

本发明涉及制冷温控技术领域，尤其涉及一种高精度测温控温电路。

背景技术

半导体制冷片(TEC)是一种固体制冷方式，依靠空穴和电子在运动中直接传递热量实现制冷面到散热面的热传递，从而实现制冷。与传统制冷系统相比，TEC具有无需制冷剂、无噪声、无污染、可靠性高，寿命长等优点。由于TEC本身的热惯性很小，能够实现快速的制冷或者加热。

现有技术中，单电源供电时无法为TEC从0V开始供电，这种控制方式对制冷温差较小时的精度和稳定度影响较大。另外，传统的测温温控技术产生的噪声较大，主要的噪声来自开关电源。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种高精度测温控温电路，解决基于半导体制冷片的现有温控技术中存在的功耗大、噪声大、效率低、精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种高精度测温控温电路，包括测温电路、单片机和控温电路，所述测温电路中又包括单臂电桥测温电路、仪表放大电路和模数转换电路，所述控温电路中又包括数模转换电路、同相放大电路、低压差线性稳压电路、H桥控制电路；在所述测温电路中，通过单臂电桥测温电路实现对温度变化感知并转换为电压信号，然后输入到仪表放大电路中进行电压信号放大，再经过模数转换电路将放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号，然后输入到单片机中，单片机由此获得准确测量的测温数据；在控温电路中，单片机向数模转换电路输出温控数据，数模转换电路将温控数据转换为模拟温控电压，然后经过同相放大电路的进行放大后，再通过低压差线性稳压电路获得高精度的温控电压输出给H桥控制电路，由H桥控制电路再向热电致冷器精准供电温控。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述单臂电桥测温电路包括第一偏置电阻、第二偏置电阻、第三偏置电阻、第四偏置电阻、第五偏置电阻和用于感知温度变化的铂电阻；所述第一偏置电阻、第二偏置电阻和第四偏置电阻依次串联设置在参考电压和接地端之间，所述第三偏置电阻、铂电阻和第五偏置电阻也串联设置在参考电压和接地端之间。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述仪表放大电路包括芯片AD623，所述铂电阻和第三偏置电阻的连接点接入到芯片AD623正极输入端，所述第一偏置电阻和第二偏置电阻的连接点接入到芯片AD623负极输入端。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述芯片AD623的电压输出端通过串联电阻连接到模数转换电路中的模数转换芯片ADS8320的正向输入端，模数转换芯片ADS8320的输出端接入到单片机。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述数模转换电路包括数模转换芯片MAX5136，所述单片机为控制芯片STM32F031G6U6，数模转换芯片MAX5136与控制芯片STM32F031G6U6的互联接口包括片选端、时钟端和数据端，控制芯片STM32F031G6U6通过所述互联接口向芯片MAX5136传输温控数据，所述温控数据再经过芯片MAX5136转换为模拟温控电压输出。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述同相放大电路包括运算放大器芯片LT6015，来自所述数模转换芯片MAX5136的模拟温控电压输入到运算放大器芯片LT6015的正向输入端，芯片LT6015的反向输入端通过串联反馈电容接入到芯片LT6015的输出端，而芯片LT6015的输出端又进一步连接输出电阻，在输出电阻的另一端通过反馈电阻连接芯片LT6015的反向输入端，同时芯片LT6015的反向输入端还连接一个接地电阻而接地。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述低压差线性稳压电路包括芯片LT3083，芯片LT6015的输出端经过输出电阻后的输出电压输入到芯片LT3083的设置端，由此实现对低压差线性稳压电路的电压设置。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，DC-DC转换电路包括芯片LT8643S，芯片LT3083的输入端和输出端又进一步通过控制三极管向开关电源芯片LT8643S进行反馈，开关电源芯片LT8643S的反馈端电连接控制三极管的集电极，开关电源芯片LT8643S的输出端通过连接电感后连接控制三极管的发射极，而控制三极管的发射极又与芯片LT3083的输入端电连接，控制三极管的基极串联一个限流电阻后又与芯片LT3083的输出端电连接。

在本发明高精度测温控温电路另一实施例中，所述H桥控制电路包括4个NMOS管和2个PMOS管，其中第一PMOS管和第二PMOS管的源极均电连接芯片LT3083的输出电压，同时第一NMOS管和第二NMOS管的漏极也均电连接芯片LT3083的输出电压，第一PMOS管的漏极、第一NMOS管的源极和第三NMOS管的漏极均电连接半导体制冷片的第一输入端，第二PMOS管的漏极、第二NMOS管的源极和第四NMOS管的漏极均电连接半导体制冷片的第二输入端，第三NMOS管的源极和第四NMOS管的源极均接地；所述H桥控制电路中的第二PMOS管、第一NMOS管、第四NMOS管的栅极均与单片机的一个控制引脚电连接，所述第一PMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管的栅极均与单片机的另一个控制引脚电连接。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种高精度测温控温电路，该电路具体包括测温电路、单片机和控温电路，测温电路中又包括单臂电桥测温电路、仪表放大电路和模数转换电路，控温电路中又包括数模转换电路、同相放大电路、低压差线性稳压电路、H桥控制电路。该电路通过测温电路能够准确测量和采集温度值，然后通过控温电路又可以实现对半导体制冷片进行高精度的温控控制，实现了在测温控温方面降低噪声、减少功耗、提高效率的目的。

附图说明

图1是根据本发明高精度测温控温电路一实施例的组成框图；

图2是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的单臂电桥测温电路、仪表放大电路和模数转换电路的电路图；

图3是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的单片机电路图；

图4是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的数模转换电路图；

图5是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的同相放大电路图；

图6是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的低压差线性稳压电路图；

图7是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的开关电源电路图；

图8是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的H桥控制电路图；

图9是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的电源转化电路图；

图10是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的电源转化电路图；

图11是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的电源转化电路图；

图12是根据本发明高精度测温控温电路另一实施例中的参考电压产生电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明高精度测温控温电路一实施例的组成框图。在图1中，总体而言包括测温电路、单片机和控温电路，测温电路中又具体包括单臂电桥测温电路、仪表放大电路和模数转换电路，而控温电路又具体包括数模转换电路、同相放大电路、低压差线性稳压电路、H桥控制电路，其中低压差线性稳压电路是由DC-DC电源转化电路供电。进一步的，在测温电路中，通过单臂电桥测温电路实现对温度变化感知为电压变化信号，然后输入到仪表放大电路中进行电压信号放大，再经过模数转换电路将放大后的模拟电压信号转换为数字电压信号，然后输入到单片机中，单片机由此获得准确测量的测温数据。在控温电路中，单片机向数模转换电路输出温控数据，数模转换电路将该温控数据转换为模拟温控电压，然后经过同相放大电路的进行放大后，再通过低压差线性稳压电路获得高精度的温控电压输出给H桥控制电路，由H桥控制电路再向热电制冷器(包括半导体制冷片)精准供电，由此实现对半导体制冷片的高精度温控。

进一步优选的，如图2所示，所述单臂电桥测温电路包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第三偏置电阻R3、第四偏置电阻R22、第五偏置电阻R23和用于感知温度变化的铂电阻P2。可以看出，第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2和第四偏置电阻R22依次串联设置在参考电压Vref1.2(该参考电压为直流1.2V)和接地端GND之间，并且在参考电压Vref1.2和接地端GND之间还并联有另一个串联支路，就是第三偏置电阻R3、铂电阻P2和第五偏置电阻R23也串联设置在参考电压Vref1.2和接地端GND之间。

进一步的，仪表放大电路包括芯片AD623，铂电阻P2和第三偏置电阻R3的连接点接入到芯片AD623正极输入端IN+，第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2的连接点接入到芯片AD623负极输入端IN-，并且在正极输入端IN+和负极输入端IN-之间设置有电容C3，用于提高共模抑制，去除共模干扰信号，正极输入端IN+连接有旁路接地电容C2,负极输入端IN-连接有旁路接地电容C1。

优选的，这里测温元件选择铂电阻，因为铂电阻具有测量范围广、精度高、性能稳定等特点。当温度降低时，铂电阻的电阻会减小，铂电阻P2和第三偏置电阻R3的连接点处的电压减小，第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2的连接点处的电压不变，所以这两个连接点之间的压差会发生变化，这两个连接点分别连接芯片AD623的正负输入端，经仪表放大器调整放大之后输入至模数转换芯片ADS8320。由于芯片ADS8320的输入电压范围为0～2.5V，所以芯片AD623的放大范围为0～2.5V。

进一步的，芯片AD623的电压输出端OUT通过串联电阻R50连接到模数转换电路中的模数转换芯片ADS8320的正向输入端，模数转换芯片ADS8320的参考电压端VREF接入电压Vref_2.5(直流2.5V)，模数转换芯片ADS8320的输出端OUT接入到单片机。

进一步的，如图3所示，这里的单片机为控制芯片STM32F031G6U6，结合图2可以看出，该芯片与图2中的芯片ADS8320的互联接口包括片选端CS、时钟端DCLK和数据端OUT-1，通过该接口的这三个端口可以将测温数据(16位数字信号)输入到控制芯片STM32F031G6U6中。该控制芯片STM32F031G6U6则进一步测温数据通过PID算法可得到一个温控数据(也是16位数字信号)，再将该温控数据输入到数模转换电路转化为模拟温控电压信号。

这里，PID算法是一种闭环控制算法，闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。PID是比例(Proportion),积分(Integral),微分(Differential coefficient)的缩写。通过这三个算法的组合可有效地纠正被控制对象的偏差，从而使其达到一个稳定的状态。

优选的，通过PID算法计算得到的温控数据DA_Add计算方法是：

DA_Add＝P×(Temperature_Err-Temperature_Err_His1)

+I×Temperature_Err+D×(Temperature_Err-2*Temperature_Err_His1+Temperature_Err_His2)；

其中，Temperature_Err为当前测量温度与目标温度的温度误差，Temperature_Err_His1为相邻的前一次采集的温度误差。Temperature_Err_His2为相邻的前二次采集的温度误差，也就是在Temperature_Err_His1之前相邻的一次采集的温度误差。经过调试之后，可得到最佳的P、I、D系数，将PID系数带入公式，当温度变化时会得到DA_Add，将DA_Add的数值传递给后面的数模转换芯片。

优选的，如图4所示，数模转换电路包括数模转换芯片MAX5136，结合图3所示，芯片MAX5136与图3中的控制芯片STM32F031G6U6的互联接口包括片选端/CS、时钟端SCLK和数据端DIN，控制芯片STM32F031G6U6通过该互联接口向芯片MAX5136传输温控数据，该温控数据再经过芯片MAX5136转换为模拟温控电压输出。

进一步的，如图5所示，同相放大电路包括运算放大器芯片LT6015，来自芯片MAX5136的模拟温控电压DAC_O_0输入到芯片LT6015的正向输入端，芯片LT6015的反向输入端通过串联反馈电容C35接入到该芯片LT6015的输出端，而芯片LT6015的输出端又进一步连接输出电阻R15，在输出电阻15的另一端通过反馈电阻R7连接芯片LT6015的反向输入端，同时芯片LT6015的反向输入端还连接一个接地电阻R8而接地。这里通过设置反馈电容和输出电阻是为了防止运算放大器产生自激效应。

进一步的，如图6所示，低压差线性稳压电路包括芯片LT3083，结合图5可以看出，芯片LT6015的输出端经过输出电阻后的输出电压VO_0输入到芯片LT3083的设置端SET，由此可以实现对低压差线性稳压电路的电压设置。

优选的，为了实现更加精准的控制电压输出，芯片LT3083的输入端和输出端又进一步通过控制三极管向开关电源芯片进行反馈。如图7所示，该开关电源芯片LT8643S的反馈端FB电连接控制三极管Q1的集电极，而开关电源芯片LT8643S的输出端SW通过连接电感L1后电连接控制三极管Q1的发射极，而控制三极管Q1的发射极又与图6中芯片LT3083的输入端电连接(图6和图7中均所示VPTEC，表示共同连接点)，控制三极管Q1的基极串联一个限流电阻R12后又与图6中芯片LT3083的输出端电连接(图6和图7中均所示VTEC，表示共同连接点)。

根据三级管的特性，当基极和发射级的电压小于或等于开启电压的时候，集电极无电流通过。如图6所示，VTEC电压的大小是由芯片3083的SET脚电压大小决定，VPTEC为芯片3083提供输入电压，如图7所示，VPTEC的电压始终会比VTEC高一个开启电压(不同三极管的开启电压可能不一样，本发明采用2N3906开启电压为0.7V，所以存在0.7V的压差问题)，当VPTEC的电压与VTEC的差值大于三极管开启电压时，集电极有电流通过，R10和R11之间的连接点处的电压会升高，引起FB引脚的电压升高。当FB引脚的电压升高时，芯片LT8643会使输出VPTEC变小，当VPTEC和VTEC的差值减小到仅为三极管的开启电压时，集电极没有电流通过，VPTEC不再发生变化，所以VPTEC始终比VTEC高一个开启电压。

这种设计使得开关电源芯片LT8643S的输出跟随芯片LT3083的输出的变化而变化，并且可以使得芯片LT3083的输出电压始终比输入电压低0.7V。本设计采用这种开关电源跟随低压差线性稳压(LDO)芯片输出的方法最大程度的减少了LDO芯片本身的能量浪费，提高了电路的工作效率。相比传统的TEC控制芯片，本设计可以使TEC的供电从0V开始，温控效果更精确。优选的，这里使用两个LT3083并联可实现大电流输出。

在这里，为了尽可能的消除开关电源芯片LT8643S产生的噪声，开关电源芯片LT8643S输出的电压会通过一个高电源抑制比(PSRR)的低压差线性稳压(LDO)芯片，即芯片LT3083，从LDO输出的电压为驱动半导体制冷片(TEC)的H桥控制电路供电。单片机控制芯片输出的控制信号控制H桥控制电路的六个控制端，控制TEC两端进行制冷或加热。优选的，由于开关电源芯片会产生较强的辐射噪声，所以会将开关电源和LDO放入一个电磁隔离的环境中，这样在保持线性制冷控制电路的低噪声的同时具有制冷控制电路的高电源效率。

进一步的，如图8所示，H桥控制电路包括4个NMOS管和2个PMOS管组成，其中第一PMOS管Q1和第二PMOS管Q2的源极均电连接芯片LT3083的输出电压VTEC，同时第一NMOS管Q3和第二NMOS管Q4的漏极也均电连接芯片LT3083的输出电压VTEC，第一PMOS管Q1的漏极、第一NMOS管Q3的源极和第三NMOS管Q5的漏极均电连接半导体制冷片TEC的第一输入端，第二PMOS管Q2的漏极、第二NMOS管Q4的源极和第四NMOS管Q6的漏极均电连接半导体制冷片TEC的第二输入端，第三NMOS管Q5的源极和第四NMOS管Q6的源极均接地。进一步的，该H桥控制电路受到图3所示单片机芯片STM32F031G6U6的控制，其中9引脚(High)连接H桥电路中的第二PMOS管Q2、第一NMOS管Q3、第四NMOS管Q6的栅极，其中13引脚(Low)连接第一PMOS管Q1、第二NMOS管Q4、第三NMOS管Q5的栅极。

这里，当第一PMOS管Q1栅极设为低电平0V时，源极电压也为0V时，第一PMOS管Q1不能导通。将第一NMOS管Q3的源级与第一PMOS管Q1的漏级并联，将第一NMOS管Q3的栅极连接到与第一PMOS管Q1栅极相反的电位。此时，即使H桥供电电压过低，无法使第一PMOS管Q1导通时，第一NMOS管Q3仍可导通，使得电流从第一NMOS管的Q3的源级流出为TEC供电。这种设计可以使H桥电路从0V开始工作。

进一步的，如图9所示，DC-DC转换电路包括芯片TPS54061，该芯片能够对输入的高直流电压VCC1(例如12V直流电压)转换为低直流电压VCC2(例如5V直流电压)输出。然后，还可以由VCC2进一步经过DC-DC转换得到如图1中所示的V3p3(例如由直流5V转换为3.3V)，如图10所示，这里使用的DC-DC转换芯片为MIC5207。而图6中的VCC3也可以由VCC1转换得到(例如由直流12V转换为10V)，如图11所示，这里使用的DC-DC转换芯片为ADP7142AUJZ。

又进一步的对于图2中的Vref1.2和Vref2.5是通过电压基准芯片实现的，如图11所示，其中Vref1.2是由电压V3p3串联电阻R23后接到电压基准芯片TL4051A12得到，电阻R23与电压基准芯片TL4051A12的连接处即为该参考电压Vref1.2。同样，在图11中，Vref2.5是由电压V3p3串联电阻R18后接到电压基准芯片TL4050A25得到，电阻R18与电压基准芯片TL4050A25的连接处即为该参考电压Vref2.5。通过这些电压转换电路可以提高电源转换效率，并且也能够降低功耗，保证较高的电压准确度和稳定度。

由此可见，本发明高精度测温控温电路包括测温电路、单片机和控温电路，测温电路中又包括单臂电桥测温电路、仪表放大电路和模数转换电路，控温电路中又包括数模转换电路、同相放大电路、低压差线性稳压电路、H桥控制电路。该电路通过测温电路能够准确测量和采集温度值，然后通过控温电路又可以实现对半导体制冷片进行高精度的温控控制，实现了在测温控温方面降低噪声、减少功耗、提高效率的目的。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。