脉冲调制型恒温差风速计控制电路的设计及其温漂特性测试

　　热流量风速计的工作原理就是在一定的控制模式下把传感器加热, 通过检测气流引起的传感器表面温度变化或者传感器消耗功率的变化来得到风速和风向信息[ 1-3, 9] . 因此, 风速计要工作首先要有一个控制电路加热风速计使风速计的温度高于环境的温度, 常用的控制模式有恒功率、恒温、恒温差和温度平衡模式. 与其他几种控制模式相比, 恒温差控制模式由于是把芯片温度加热使其比环境高出一个固定值, 因此输出和环境温度原理上无关, 从而可以更好地解决温漂问题并且有较大的测量范围, 而且, 工作在这种模式下的风速计温度不会随着风速的改变而变化, 响应速度不受传感器本身热域响应速度的限制, 因此这种控制模式有更高的响应速度. 因为这种控制模式有以上的优点[ 4-5, 10] , 所以国内外对风速计研究控制电路一般都选择恒温差控制模式.

　　图1 是恒温差控制模式的原理图, Dchip 和Dref 分别是检测芯片和环境温度的两个PN 结, R x 用于设定一个初始状态使放大器的正端电压高于负端( Rb设定放大器的共模输入电压) , Rheat 为加热电阻. 开始时, 放大器输入端的正端电位高于负端, 因此Qheat导通, 加热电阻加热芯片, D chip 的正向导通压降随着芯片温度的增高而降低, 最后放大器正负端输入电压相等时达到平衡.

　　1 环路增益要求的理论分析

　　在图1 电路中, 假定电路工作在上述的稳定状态, 对该电路小信号分析, 则输入输出间有如下关系:

　　其中△V ou t 为输出点(Qheat 的集电极) 电压的变化量, △Vin 为放大器正负输入端的电压变化量( 如果负端恒定则为正端的电压变化量) , B和Av 分别是Qheat 和放大器的电流放大倍数和电压放大倍数.试验测得用于温度控制的二极管温度系数为- 1. 6mV/ ℃ , 假定测环境温度的二极管正向导通压降不变, 则加热芯片温度变化量为:

　　在实际测试中, 由于风速引起的输出端电压的变化量△Vout 可以达到2 V, 所以, 为了实现良好的恒温差控制( △T 基本没有变化) , B. Av 这一项要很大, 否则这个控制电路实际上是恒温差控制和恒功率控制的折中模型, 因此会有较大的温漂.

　　显然, 为了满足上述要求需要有大环路增益B.Av , 但是增加环路的增益B.Av 会引起另外一个问题, 即稳定性问题. 热反馈回路可以看作一个多阶系统, 即在热反馈回路会引入相位的变化, 当这个环路的增益B.Av 比较大时, 系统不再工作在稳定状态,进入振荡模式. 用两阶系统来模拟热反馈回路时控制环路的原理图以及根轨迹如图2[ 5] .

　　从上图可见, 当控制环路的增益不断变大时, 系统的极点从左半平面向右半平面移动, 最后根轨迹跨过虚轴, 系统不再稳定.