高准确度宽温石英晶振热敏网络温度补偿.pdf

!传!感!器!技!术!第!$卷高准确度宽温石英晶振热敏网络温度补偿李建文6!祖!兵!7陕西科技大学 计算机与信息工程学院!陕西 咸阳_!#!7国营_$&厂 北川无线电器材厂!陕西 咸阳_!#$摘!要#论述了热敏网络进行石英晶体温度补偿的基本方法$其中包括热敏电阻器的测量%非线性回归以及匹配算法$还介绍了补偿电路以及%种热敏网络的设计$并通过大量试验曲线讨论了在较宽温度范围内$当补偿准确度达到或超过66=R时应该考虑的各种因素&关键词#石英晶体温度补偿热敏网络中图分类号#.;$?!文献标识码#L!文章编号#6 =?!#%=R=#B).-)4 5 0 3 4)6,.-)/2 5 0:,/0,b 3 5 4 0 O6 4?2 0 5+,2 6:+5 0,4G?0 A)4.:2 0,4/)0I:0 AA:=A5 6 6 3 4 5 6?I:0 A:/I:;)0).-)4 5 0 3 4)2 6,-)U P&D+*E I 2*6$BL D*4!7 8,+,1 6,.-3 0)4:/1,/:*)4 2:0?,1 6:)/6)B)6 A/,+,=?$U:5/?5/=_!#!$8 A:/57 ):6 A 3 5/K 5;:,$T)G和G6是材料常数 因热敏电阻器不同而不同#测量热敏电阻器数据时 一般是在=R!b范围内按每6 b一点测量热敏电阻器的阻值形成0=6曲线 但这时的数据并不光滑 带有一定的随机性#事实证明!这些数据不能直接参与补偿运算#必需根据式&6 对测到的原始数据 经过非线性回归确定参数0GG6 进一步得出理想的光滑曲线#普通电阻器的0=6曲线与热敏电阻器的0=6曲线极其相似 只不过普通电阻器的0=6曲线的G和G6比较小#简单的温度补偿中都把G和G6看作#网络电路的设计可以是各种各样 以满足补偿需要为目的#但一般如图$有%种就可以满足需要所有这些热敏网络都是热敏电阻器和普通电阻器的串联和并联#其中图$中&+&N&1 为简单网络其中的与 图6中 的 变 容 二 极 管 联 接#图$中&0&2 为桥式网络 其中虽然没有 实际上f6=!#如果是简单网络 则在热敏网络和变容二极管之间是6根连线 如果是桥式网络则是!根连线#每一种补偿电路都有对应的计算公式$#%#图$中&1&0&2 使用的最为频繁#各种网络形式的性能及用途见表6#图%!热敏电阻网络L:=%!B A)4.:2 0,4/)0 2!补偿计算以前还要确定所要使用的网络形式#绝大部分的石英晶体的=6曲线类似于图!适宜使用*六元件简单网络+和*八元件桥式网络6+补偿八元件桥式网络适宜于弯度更大=6曲线 但缺点是由于增多了电阻器而使得补偿线路的体积变大#R万方数据!传!感!器!技!术!第!$卷表!网络形式性能B 5 G!J 4,-)4 0:)2,1 0 A)4.:2 0,4/)0 2名!称热敏电阻器数普通电阻器数用!途四元件简单网络6$单调曲线五元件简单网络!$二次曲线六元件简单网络$三次曲线八元件桥式网络6$%三次 曲 线 弯 度 较大八元件桥式网络!$%与!桥式6方 向相反!补偿计算的方法很多#%$%这里笔者仅仅将自己设计温补计算系统所使用的方法作一介绍&随机选取热敏电阻器%然后%再连续空间里匹配普通电阻器&利用计算机的高速度不断查找最佳匹配&这样可以做到热敏电阻器的无误差选取&不失一般性%设网络中有/个电阻器:6%:!%:/%(06%0!%0/%6)是补偿电路的=6特性函数&晶体在所考虑的温度点66%6!%6B上所测到得电压值分别为6%!%B&所谓的拟合就是根据最小二乘原理确定下面公式(!)中的电压残差2(06%0!%0/%)f0BMf6#(06%0!%0/%6M)=M$!%(!)式中!06%0!%0/%使2(06%0!%0/%)的值达到最小&显然%这是一个多参数的非线性回归问题#$&$!温度补偿的过程温度补偿的工作基本分为测量*计算*焊接等三大步骤&其中%最为关键的是测量和计算%一般这两大步骤必须由计算机软件来完成&恒温箱是一种可以控制温度封闭体%整个补偿过程都是以恒温箱为中心&补偿工作进行以前%需要测量与晶体相关的=6曲线和热敏电阻器的0=6曲线%更高准确度的补偿也应该测量普通电阻器的0=6曲线&补偿电路焊接完成后%应该再将产品放回温箱进行测量%以确定合格的产品%并给出其频率随温度变化的曲线&录入与晶体相关的=6曲线数据和热敏电阻器数据%生成晶体电压变化数据库和热敏电阻器元件库&现在的万用表一般都提供数字接口%录入是最好使用自动录入功能&由于热敏电阻器实测数据往往存在很大的误差%录入的热敏电阻器数据一般不能直接参与计算%必须根据式(6)利用非线性拟合求出热敏电阻器光滑曲线&所以%测量与计算并不是完全分离的&在补偿计算以前需要测量数千个热敏电阻器&一般每一次的补偿要同时对多个晶体同时进行%在计算时总是逐个进行的&对每个晶体根据它的=6曲线特征根据表6选定对应的网络形式%同时%也根据客户的要求选定特定的拟合区间%因为拟合区间越大误差也会越大&具体的办法是+先选定热敏电阻器%后在连续空间中匹配普通电阻器&匹配好普通电阻器后%再根据式(!)看当前的残差2值是否小于原来的残差2值%如果当前的残差2值比较小%则把当前的残差2值定为2H D*%这样得到的残差2值就会越来越小%与残差2值所对应的/个电阻器:也就随着被确定&使用匹配算法的结果是得出匹配清单%根据这个匹配清单进行电阻器网络焊接&在这里应该注意%关于热敏电阻器给出的是在电阻器盒中的存放位置%所以%热敏电阻器的选取是没有误差的&由于普通电阻器是在连续空间得到的%无法给出其在盒中的具体位置&至于如何使普通电阻器也能实现无误差选择%笔者将作专题讨论&#!试验结果一般情况下%补偿前人们测量的是=6曲线%补偿后测量的是温度=频率曲线&补偿的目的是+要温度=频率曲线尽量接近不受温度影响的直线%但是%永远不可能是绝对直线&=%!%b是较宽的温度范围%但常用的宽温范围是=#!?b&图#所示的两种补偿曲线分别为考虑普通电阻器的温度变化因素前后的补偿结果&图#(+)是#Q O的晶体在=#!?b温度范围之间以e为基准电压条件下%未考虑普通电阻器的温度变化因素时的补偿结果&这时的补偿结果曲线明显 的 低 于 目 标 值%补 偿 准 确 度 在$6=R到%6=R之间%并且具备明显的随温度变化的规律%仍然类似于三次曲线&!图#(N)是R7#Q O的晶体在=#!?b温度范围之间以%e为基准电压条件下%考虑到普通电阻器的温变因素时的补偿结果&这时的补偿结果曲线明显的接近于目标值%绝大部分曲线的补偿准确度达到了66=R%其中%曲线6和$随温度变化的规律已经不明显,曲线!还具备二次曲线的特征,曲线%则十分明显&对于图#(N)中的曲线%有这种明显的误差规?万方数据第%期!李建文等!高准确度宽温石英晶振热敏网络温度补偿!图!补偿后的频率N温度曲线L:=!L 4)b 3)/6?N 0).-)4 5 0 3 4)6 3 4*)5 1 0)46,.-)/2 5 0:,/律 其原因就是出在普通电阻器的选配上#前边已经说过 对于热敏电阻器首先实现了无误差的选择 然后 在连续空间里匹配普通电阻器#而在现实中普通电阻器只有几千个 这样在匹配普通电阻器时便出现了不可避免的选择误差 通常普通电阻器的实际匹配相对误差只能控制在7$以内#如何减少或者避免这种选择误差牵涉到一种复杂的运算过程 大体可概括为!测量普通电阻器的0=6曲线 根据非线性回归求得参数0GG6之间的关系 建立普通电阻器库 利用普通电阻器之间进行串联和并联的方法减少匹配误差#由于篇幅所限 这个问题将另文讨论#事实上 在=%!%b的温度范围 这种方法也是可行的#%!结!论补偿前 首先要测量与晶体相关的=6曲线只有当=6曲线光滑时匹配才有意义 而且要选择合适的热敏网络进行温度补偿#对于热敏电阻器 不但要测出比较准确的0=6曲线 还要进行非线性回归 得到光滑的曲线#要进行高准确度的补偿 要保证有足够的热敏电阻器和普通电阻器 热敏电阻器!个以上 普通电阻器6 个以上#在=%!%b范围内 温度范围变化与合格率成反比 当式$!%中2)!6=%后 另外的$种因素!热敏电阻器选取相对误差&普通电阻器温度变化因素&普通电阻器选取相对误差 对于补偿准确度和合格率将有不可忽视的影响#热敏电阻器误差的影响最大 所以 对于热敏电阻器应该采取无误差的选取 由万用表得到的测量值不能直接参与计算 必须进行非线性回归 根据式$6%得到的光滑曲线才能参与补偿计算#要达到66=R的补偿准确度 必须考虑普通电阻器的温度变化因素就是应该对于普通电阻器的阻值随温度的变化有一个初略的估计#如果要达到%6=?的补偿准确度 应该使普通电阻器的选取误差小于 7 6#整个补偿过程需要快速计算机和性能优越的计算系统#参考文献!6(!王喆垚 朱惠忠 董永贵 等7实现$!%!6%=!6?7!(!杨成胡 陈光杰7用电阻网络对医用传感器的特性进行补偿&(7传感器技术6 6?$R%!$=$%7$(!孟庆洁 张!中7热敏电阻的简易线性补偿方法&(7自动化与仪表6 6#$#%!6=!67#(!崔旭晶7温补晶振的热敏网络分析及参数计算&(7沈阳工业学院学报6 6?$6!%!?=$#7%(!李建文7热敏电阻网络非线性补偿中的通用拟合算法&(7传感器技术!6!$6 6%!#=#%7R(!赵生双 赵 焕绥 王 玉国 等7一种 新型 的温 度补 偿晶 体振 荡器&(7山东大学学报$自然科学版%6?$!$%!$%#=$%?7作者简介!李建文$6%=%男 陕西省西安市人 陕西科技大学计算机与信息工程学院副教授 理学学士 主要从事计算机及其应用软件的研究及开发 曾发表论文6 6篇 开发计算机软件)多媒体汉字系统*&)抄纸过程质量$Y 8%控制系统*&)热敏电阻网络温度补偿计算系统*等套#6?万方数据