一种低温温控PWM电路的制作方法

本实用新型涉及一种PWM（脉冲宽度调制）电路，特别是一种结构简单、单电源工作、参数调整方便的用于低温制冷恒温控制的PWM电路。

背景技术：

在控制驱动等电子系统中，PWM（脉冲宽度调制）电路常用于恒温、恒速等控制。它的核心是由被控量实时控制PWM电路输出的脉冲宽度，以达到闭环恒定控制的目的。

从系统的可靠性和成本方面考虑，一般要求PWM电路结构简单、参数调整方便、与驱动部分的接口兼容性好等。

目前大多的用于低温温控的PWM电路，要么采用专用芯片，参数调整不便，且与测温电路及制冷控制电路接口不易实现。要么采用多器件、需要正负电源供电及较复杂的三角波发生器，使得电路构成较复杂，使用和调整都较麻烦。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种结构较简单、参数调整及接口方便、单电源工作的低温恒温控制的PWM电路。电路只要单一电源即可工作，三角波发生器由单个运算放大器构成，三角波幅度、PWM电路的频率、脉冲宽度调制的灵敏度等均可方便地调整。

实现本实用新型目的的技术方案：

一种低温温控PWM电路，其特征是，包括虚拟地电路、三角波发生器电路、温度信号检测及放大电路、温度设定电路、误差放大及比较电路；

虚拟地电路为其它电路提供参考零电压；

三角波发生器电路通过自激振荡产生三角波Vo1,输出至误差放大及比较电路5中的比较器的其中一个输入端；

温度信号检测及放大电路采集温度信号放大后送到误差放大及比较电路中的运算放大器的其中一个输入端；

温度设定电路产生具有一定可调范围的基准电压，作为设定的温度信号电压Vo3，送到误差放大及比较电路中的运算放大器的另一输入端；

误差放大及比较电路中的运算放大器将设定的温度信号电压Vo3与采集并放大的温度电压信号Vo2的电压差值放大，输出电压Vo4送入比较器的另一输入端；由比较器将输出电压Vo4与三角波Vo1比较产生脉冲信号，脉冲信号经反相器反相后输出最终的PWM信号。

虚拟地电路采用精密虚拟地芯片，由精密虚拟地芯片将输入的电源Vcc转换为半电源Vcc/2并输出。

虚拟地电路的输出电压经第一电阻输入至第二运算放大器的同相输入端，虚拟地电路的输出电压同时经第一电容连接至第二运算放大器反相输入端；第二运算放大器的输出端经第二电阻正反馈至第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的输出端经第三电阻负反馈至运算放大器的反相输入端。

温度信号检测及放大电路中包括温度探测器和第三运算放大器；温度探测器将探测输出的温度电压信号输入至第三运算放大器进行放大，得到温度电压信号Vo2。

温度探测器为二极管。

温度设定电路中包括基准电压源、至少一个阻值可调的电位器或电阻器和第四运算放大器；基准电压源产生的参考电压经电位器或电阻器调节输出可调的电压信号，经第四运算放大器放大后作为设定的温度信号电压Vo3。

误差放大及比较电路中还包括第五电阻和第八电阻；温度电压信号Vo2经第五电阻输入至运算放大器的反相输入端；运算放大器的输出端经第八电阻反馈至运算放大器的的反相输入端。

本实用新型的优点为：

电路结构较简单，只要单一电源即可工作，外部调整及接口方便，三角波幅度、PWM电路的频率、脉冲宽度调制的灵敏度等均可方便地调整。

附图说明

图1是本实用新型PWM电路的原理框图。

图2是本实用新型PWM电路的电路图，其中1为虚拟地电路、2为三角波发生器电路、3为温度信号检测及放大电路、4为温度设定电路、5为误差放大及比较电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1本实用新型一种低温温控PWM电路的原理框图所示，包括虚拟地电路、三角波发生器电路、温度信号检测及放大电路、温度设定电路和误差放大及比较电路5部分。

如图2所示，为本实用新型一种低温温控PWM电路包括虚拟地电路1、三角波发生器电路2、温度信号检测及放大电路3、温度设定电路4、误差放大及比较电路5。图中Vcc为正电源端，GND为正电源的参考地。

虚拟地电路1包括精密虚拟地芯片N4，采用TLE2426芯片，它将输入的电源Vcc转换为半电源Vcc/2并输出, 该输出具有100mA电流吞吐能力，将此半电源作为其它几部分电路输入输出的零电压（0V）参考。这样其它部分相当于在±Vcc/2的双电源下工作，保证需要双电源工作的各个运算放大器能正常工作。

以下的说明均以Vcc/2作为零电压（0V）参考。

三角波发生器电路2包括1只片式多层陶瓷电容C1，3只厚膜电阻R1、R2、R3,1只运算放大器N1B。半电源Vcc/2经电阻R1输入至运算放大器N1B的同相端，半电源Vcc/2同时经陶瓷电容C1连接至运算放大器N1B反相端；运算放大器N1B的输出端经电阻R2正反馈至运算放大器N1B的同相端，运算放大器N1B的输出端经电阻R3负反馈至运算放大器N1B的反相端。三角波发生器电路2通过自激振荡产生三角波Vo1,输出给误差放大及比较电路5的比较器N1A的同相输入端。

产生三角波的原理是：电路加电后，由于电阻R2的正反馈作用，运算放大器N1B的输出迅速正饱和，输出饱和电压Vom，这时运算放大器N1B同相端的电压为Vom×R1/(R1+R2)。尔后，（1）陶瓷电容C1通过电阻R3充电，陶瓷电容C1的电压即运算放大器N1B反相端的电压充电至Vom×R1/(R1+R2)，运算放大器N1B的输出负饱和，输出饱和电压-Vom，这时运算放大器N1B同相端的电压跳变为-Vom×R1/(R1+R2)。（2）陶瓷电容C1通过R3放电，从电压Vom×R1/(R1+R2)放电至电压为-Vom×R1/(R1+R2)后，运算放大器N1B的输出又正饱和，输出饱和电压Vom。然后重复（1）和（2）的过程。总结一下：运算放大器N1B的输出在正负饱和电压±Vom跳变（振荡），运算放大器N1B同相端的电压在±Vom×R1/(R1+R2)跳变，陶瓷电容C1的电压也是运算放大器N1B反相端的电压在±Vom×R1/(R1+R2)间通过电阻R3反复充放电。众所周知，RC充放电电压为三角波，即陶瓷电容C1的电压也就是电路的输出信号为三角波Vo1。

根据RC充、放电的公式，可得到陶瓷电容C1从-Vom×R1/(R1+R2)充电至Vom×R1/(R1+R2)的时间即三角波的上升时间为R3×C1×ln(1+2R1/R2),同样可得到陶瓷电容C1从Vom×R1/(R1+R2)放电至-Vom×R1/(R1+R2)的时间即三角波的下降时间也为R3×C1×ln(1+2R1/R2),那么，三角波的频率为1/（2R3×C1×ln(1+2R1/R2)）。这个三角波频率也就是PWM的频率。该PWM的频率可通过调整电阻R3或陶瓷电容C1改变，三角波幅度可以通过调整电阻R1或电阻R2改变。

本实施例中，三角波频率也就是PWM的频率f为：1/（2R3×C1×ln(1+2R1/R2)），设R3=20k，R2=13k，R1=15k，C1=1000P时，频率为20kHz。通常该频率设在10kHz至20kHz较好。如需调整该频率，优先考虑通过调整电阻R3、电容C1调整该频率。

三角波幅度为：-Vom×R1/(R1+R2)至Vom×R1/(R1+R2)。电源Vcc为12V，运算放大器选用TL072类，Vom约为5V，则三角波的幅度约为-2.7V到2.7V。该幅度可通过调整电阻R1、R2的值调整，该幅度设在±Vcc/3至±vcc/2较好。

温度信号检测及放大电路3包括温度探测器VTD，1只片式多层陶瓷电容C2，7只厚膜电阻R4、R6、R7、R9、R10、R11和R12，2只运算放大器N2A和N2B。温度探测器VTD实质上是一只半导体二极管，其探测输出的温度电压信号就是其正向压降VT。第一级运算放大器N2A完成温度探测器VTD的恒流偏置和VTD正向压降采集，第二级运算放大器N2B实现度探测器VTD正向压降VT的放大。温度探测器VTD的正极接在运算放大器N2A的输出，负极接在运算放大器N2A的反相端及电阻R9的一端，电阻R9另一端接在虚拟地端Vcc/2。电容C2与温度探测器VTD并联，其作用是滤波降噪。运算放大器N2A的输出端经电阻R4、R12接虚拟地端Vcc/2，并电阻R4、R12分压后连接至运算放大器N2B的同相端。

温度探测器VTD的电流等于电阻R9的电流加上电阻R6的电流再减去运算放大器N2A反相端电流。运算放大器N2A的同相端由2.5V基准电压源及电阻R10、R11提供的偏置电压为2.5V×R10/（R10+R11）=1V,运算放大器N2A反相端的电压同时也是电阻R9的电压也为1V。电阻R9的电流为1V/R9=100uA，而电阻R6及运算放大器N2A反相端的电流很小不到0.7uA且变化量更小完全可以忽略。也就是说温度探测器VTD的电流是恒定的约100uA。运算放大器N2A输出的电压等于电阻R9的电压加温度探测器VTD的正向电压为1V+VT。运算放大器N2A的输出电压经电阻R4和R12三分之二分压送第二级的运算放大器N2B的同相端。电阻R6接在运算放大器N2B的反相端和温度探测器VTD的负端间，反馈电阻R7接在运算放大器N2B的输出端和反相端间。运算放大器N2B的输出电压Vo2=（1+R7/R6）（1V+VT）R12/(R4+R12）-1V×R7/R6=2VT。

温度信号检测及放大电路3主要的功能是采集温度电压信号并放大后的温度信号Vo2送到误差放大及比较电路5的运算放大器N2D的反相输入端，通常放大倍数为2倍，即Vo2=2VT。

温度设定电路4包括1只基准电压源N3、2只电阻R13和R14、1只电位器RW、1只运算放大器N2C。本实施例中采用2.5V电压基准源N3，基准电压源N3的接地端GND接至虚拟地Vcc/2，产生相对于虚拟地Vcc/2的2.5V基准电压，基准电压REF经电阻R13、R14和电位器RW分压后，输出可调的电压信号，经由运算放大器N2C构成的电压跟随器放大后作为设定的温度信号电压Vo3。温度设定电路4的功能为产生具有一定可调范围的基准电压，作为设定的温度信号电压Vo3，送到误差放大及比较电路5的运算放大器N2D的同相输入端。该电压的可调范围为Vo3=2.5V×R13/（R13+RW+R14）～2.5V×（R13+RW）/（R13+RW+R14）。本实施例中，Vo3的幅度范围应覆盖2VT的幅度：本例控温的温度约为低温75K，VT约为1.05V，2VT为2.1V。本例Vo3的范围为2.5V×（R13）/（R13+RW+R14）～2.5V×（R13+RW）/（R13+RW+R14）=2V～2.2V。

误差放大及比较电路5包括2只电阻R5和R8、1只电容C3、比较器N1A、运算放大器N2D、1只反相器D1。温度信号检测及放大电路3采集放大后的温度电压信号Vo2经电阻R5输入至运算放大器N2D的反相输入端。温度设定电路4产生的设定的温度信号电压Vo3输入至运算放大器N2D的同相输入端。运算放大器N2D的输出端连接至比较器N1A的反相输入端，三角波发生器电路2产生的三角波Vo1输入至比较器N1A的同相输入端，比较器N1A的输出端连接至反相器D1的输入端，反相器D1的输出端输出最终的PWM信号。运算放大器N2D的输出端还经电阻R8反馈至其反相输入端，电阻R8的两端并联电容C3 ，电容C3的作用为滤波降噪。误差放大的倍数为R8/R5。该电路的功能是首先将设定的温度信号电压Vo3与采集放大后的温度电压信号Vo2的电压差值放大，输出电压Vo4，然后将电压Vo4与三角波Vo1比较产生脉冲信号。反相器D1作用是将运算放大器N1A输出的信号反相后输出最终的PWM信号。输出电压Vo4=（Vo3-2VT）R8/R5+Vo3。最终PWM的脉冲宽度取决于输出电压Vo4的幅度，输出电压Vo4的幅度从三角波的负峰值-Vom×R1/(R1+R2)变化到正峰值Vom×R1/(R1+R2)时，PWM的脉冲宽度从0变到100%。实际的意义是要控制的温度高于设定温度时PWM的脉冲宽度将增加，反之则降低。通过调整误差放大倍数R8/R5，可以调整温度差Vo3-2VT导致PWM的脉冲宽度变化的灵敏度。

PWM的脉冲宽度取决于输出电压Vo4的幅度，本例中输出电压Vo4=（Vo3-2VT）R8/R5+Vo3=317（Vo3-2VT）+Vo3，输出电压Vo4的幅度从三角波的负峰值-2.7V变化到正峰值2.7V时，PWM的脉冲宽度从0变到100%，那么正向压降VT只要约8.5mV的变化，PWM的脉冲宽度从0变到100%，相当于正向压降VT变化1mV（约相当于温度变化0.4K），PWM脉冲宽度变化约12%，这个变化量与控温的灵敏度相关。通过调整误差放大倍数R8/R5，可以调整误温度差Vo3-2VT导致PWM的脉冲宽度变化的灵敏度，即控温的灵敏度。当控制的温度等于设定温度时即Vo3=2VT，这时Vo4=Vo3，PWM的脉冲宽度保持一个预定的宽度，该宽度实际上是制冷系统刚好能维持设定低温温度的一个宽度，该宽度与系统相关，不同的系统可能需要调整设定的温度信号电压Vo3的范围、三角波幅度等，但这已不是本实用新型要解决的问题。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。