高精度正弦全自動激勵信號源的設計與實現

一、前言
　　
　　半導體敏感元件對溫度都有一定的靈敏度。抑制溫度漂移是半導體敏感元件的常見問題，Z-元件也不例外。本文在前述文章的基礎上，詳細介紹Z-元件的溫度補償原理與溫度補償方法，供光、磁、力敏Z-元件應用開發參考。
　　
　　不同品種的Z-元件均能以簡單的電路，分別對溫、光、磁、力等外部激勵作用輸出模擬、開關或脈沖頻率信號[1][2][3]，其中后兩種為數字信號，可構成三端數字傳感器。這種三端數字傳感器不需放大和A/D轉換就可與計算機直接通訊，直接用于多種物理參數的監控、報警、檢測和計量，在數字信息時代具有廣泛的應用前景，這是Z-元件的技術優勢。但由于Z-元件是半導體敏感元件，對環境溫度影響必然也有一定的靈敏度，這將在有效輸出中因產生溫度漂移而嚴重影響檢測精度。因而，在高精度檢測計量中，除在生產工藝上、電路參數設計上應盡可能降低光、磁、力敏Z-元件的溫度靈敏度外，還必須研究Z-元件所特有的溫度補償技術。
　　
　　Z-元件的工作原理本身很便于進行溫度補償，補償方法也很多。同一品種的Z-元件，因應用電路組態不同，其補償原理與補償方法也不同，特就模擬、開關和脈沖頻率三種不同的輸出組態分別敘述如下。
　　
　　二、模擬量輸出的溫度補償
　　
　　對Z-元件的模擬量輸出，溫度補償的目的是克服溫度變化的干擾，調整靜態工作點，使輸出電壓穩定。
　　
　　1．應用電路
　　
　　Z-元件的模擬量輸出有正向(M1區)應用和反向應用兩種方式，應用電路如圖1所示，其中圖1(a)為正向應用，圖1(b)為反向應用，圖2為溫度補償原理解析圖。
　　
　　2．溫度補償原理和補償方法
　　
　　在圖2中，溫度補償時應以標準溫度20℃為溫度補償的工作基準，其中令：
　　
　　TS：標準溫度
　　
　　T：工作溫度
　　
　　QS：標準溫度時的靜態工作點
　　Q：工作溫度時的靜態工作點
　　
　　QS￠：溫度補償后的靜態工作點
　　
　　VOS：標準溫度時的輸出電壓
　　
　　VO：工作溫度時的輸出電壓
　　
　　在標準溫度TS時，由電源電壓E、負載電阻RL決定的負載線與TS時的M1區伏安特性（或反向特性）相交，確定靜態工作點QS，輸出電壓為VOS。當環境溫度從TS升高到T時，靜態工作點QS沿負載線移動到Q，相應使輸出電壓由VOS增加到VO，且VO＝VOS＋DVO，產生輸出漂移DVO，。若采用補償措施在環境溫度T時使工作點由Q移動到QS￠，使輸出電壓恢復為VO，則可抑制輸出漂移，使DVO＝0，達到全補償。
　　
　　(1)利用NTC熱敏電阻
　　
　　基于溫度補償原理，在圖1(a)、(b)中，利用NTC熱敏電阻Rt取代負載電阻RL，如圖3(a)、(b)所示，溫度補償過程解析如圖2所示。
　　 
　　
　　在圖3電路中，標準溫度TS時負載電阻為Rt，當溫度升高到工作溫度T時，使其阻值為Rt￠，可使靜態工作點由Q推移到QS￠，由于Rt.<Rt￠，故應選NTC熱敏電阻。當溫度漂移量DVO已知時，只要確定標準溫度時的Rt值及合適的溫度系數(即B)值，使得在工作溫度時的阻值為Rt￠，即可達到全補償。
　　
　　(2)改變電源電壓
　　
　　基于溫度補償原理，補償電路如圖4(a)、(b)所示，圖5為補償過程解析圖，其中負載電阻RL值不變，當溫度由TS升到T時，產生輸出漂移DVO，為使DVO=0，可使ES相應增大到ES￠，若電源電壓的調整量為DE，且DE= ES￠-ES，要滿足DE=-KDVO的補償條件，可達到全補償。其中，K為比例系數，“負號”表示電壓的改變方向應與輸出漂移方向相反，比例系數K與負載線斜率有關，可通過計算或實驗求取，且：
　　
　　為了得到滿足補償條件的按溫度調變的電源電壓，實際補償時可采用緩變型 PTC熱敏電阻、NTC熱敏電阻或溫敏Z-元件來改變電源電壓E，達到補償的目的：
　　
　�、俨捎镁徸冃蚉TC熱敏電阻
　　
　　采用緩變型PTC熱敏電阻的補償電路如圖6所示。
　　
　　在圖6中，Z-元件與負載電阻RL構成工作電路，工作電路的直流電源電壓E由集成穩壓電源LM317電路供電，Rt為緩變型熱敏電阻，采用熱敏電阻Rt的LM317電路的輸出電壓為：
　　按溫度補償要求，當溫度增加時，電源電壓E應該增加，Rt應該增加，故Rt應選緩變型PTC熱敏電阻。R2用于設定電壓E的初始值，合理選擇PTC熱敏電阻Rt的初始值及其溫度系數，使之滿足DE=-KDVO的補償條件即可達到補償的目的。
　　
　　②采用NTC熱敏電阻
　　
　　因緩變型PTC熱敏電阻市售較少，而且補償過程中溫度系數也難于匹配，多數情況應采用NTC熱敏電阻。
　　若采用NTC熱敏電阻進行補償時，也可采用圖6所示電路，但要把R1與Rt互換位置。
　　當采用NTC型熱敏電阻時，為了便于熱敏電阻的補償匹配，可利用運算放大器，實際補償電路如圖7所示。
　　
　　
　　
　　在圖7中，Rt為NTC熱敏電阻，A為由單電源VCC供電的反相輸入運放構成的比例放大器，通過該運放的反相作用，使LM317的輸出電壓EO適合工作Z-元件工作電壓E的補償極性要求。例如，溫度升高時，EO下降，E增加；反之溫度降低時，EO增加，E減少。該補償電路的另一優點是，可通過運放比例系數的附加調整便于NTC熱敏的補償匹配。
　　
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　　(3)差動補償
　　
　　①并聯差動補償
　　
　　運放的第一級幾乎沒有例外均采用差動電路，并利用差動電路的對稱性和元器件特性的一致性來補償溫度漂移。Z-元件也可采用這種方法，補償電路如圖8所示。其中，圖8(a)為正向應用，圖8(b)為反向應用，圖8(c)為實際補償電路。其中Z為工作Z-元件，ZC為補償Z-元件，RL與RC為相應的負載電阻。
　　
　　補償原理：對差動對稱電路，當左右兩側工作Z-元件Z與補償Z-元件ZC的靜態伏安特性與動態溫度系數完全一致，以及電阻RC與R阻值及其溫度系數也完全一致時，采用浮動輸出，因始終保持VO=VOC，當環境溫度改變時，也不會產生溫漂，而工作Z-元件有其它外部激勵作用(如光、磁、力等)時，則可產生有效輸出。
　　
　　
　　理論上，若左右元器件完全對稱，在標準溫度TS時，浮動輸出DVO=VO-VOC=0，當溫度升高到工作溫度T時，因左右兩支路電流同步增加，DVO=VO-VOC=0仍然成立。實際上，左右兩支路元器件不可能完全對稱，特別是Z-元件有一定的離散性，使DVO不可能完全為0。因而，除按補償精度要求，對Z-元件的一致性進行嚴格篩選外，在電路上應采用輔助調整措施，如圖8(c)中利用電位器RW。
　　
　�、诖�聯差動補償
　　
　　并聯對稱補償的缺點是浮動輸出，為變成單端輸出還需要一個雙端輸入到單端輸出的轉換電路。采用串聯對稱補償可克服這一缺點。
　　
　　串聯對稱補償的原理電路如圖9所示。其中圖9 (a)為正向應用，圖9 (b)為反向應用，圖9 (c)和(d)為實用化補償電路。
　　
　　補償原理：該補償電路為“上下對稱”結構，元器件的一致性要求與并聯對稱補償的要求相同。在標準溫度TS時，工作電流流過上下分壓支路，使輸出電壓VO=E/2。溫度升高到工作溫度T時，工作電流雖然增加，但輸出電壓VO仍為E/2，不產生溫度漂移。而工作Z-元件當有其它外部激勵作用時，可產生有效輸出。 
　　
　　
　　
　　該補償電路的缺點是靜態輸出電壓不為零，為使靜態輸出電壓為零，需附加電平位移電路。

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[2]