原创 关于控温电路仿真

为了保证温度控制系统可以工作正常，且能够完成系统要求的千分之一的温度控制要求，故在硬件电路设计之前进行了部分主要电路的仿真，在确定系统可以正常工作的前提下，确定MAX1978外围电路的参数值。其中，MAX1978的内部结构见附录。

当温度设定之后需要将温度值反馈回温度控制系统进行PID反馈控制，同以及对温度进行时时监控。仿真过程目标是在保证温度在设定点上下0.3℃波动时输出给AD的电压值范围为0-3V。其中，在调试过程中，温度设置点由电阻分压得到，因此仿真过程中也使用此种设置方案，下面是对温度反馈系统的各部分的仿真介绍。

作为温度传感器的热敏电阻（NTC）的温度测量使用的是桥式电路电阻测量，电路中使用的是村田公司生产负温度系数的热敏电阻，型号NCP03XH103，在25℃时，标准阻值为10kΩ，其中，热敏电阻的B常数为3380。则该热敏电阻的基本特性公式如公式（2）所示

                                            公式（2）

其中，R为T（K^④）时的电阻值，R₀为T₀（K）时的电阻值，B为热敏电阻对应的B常数。其等效电路图具体电路如图6所示。

图6 桥式电路

其中，FB+为温度设定点，此点电压值主要由R2和R3将REF分压获得，而VREF=1.5V，则可得此电路的计算公式如公式（3）所示。

                        公式（3）

利用此公式在Mathcad中建模，当R2=R3时，设定点温度为25℃，上下波动温度范围为24.7~25.3℃，此时，FB+-FB-的范围为-4.282E-3~ 4.273E-3V。NTC经过桥式电路测量之后，经过MAX 1978的内部检测放大器，电路如图7所示。

图7 MAX 1978内部检测放大器

经过上述电路后的输出公式如公式（4）所示。

  公式（4）

在上述的设定的温度环境下，FB+=0.75V，FB-的变化范围为0.746~0.754V。根据公式（4）得到DIFOUT的输出范围为1.286~1.714V。为了保证上级系统对温度控制系统的时时监控，需要保证AOUT输出范围在0~3V，将此值送至上级系统的AD，进行时时温度的采集。具体电路如图8所示。

图8 输出范围调整

该电路的输出函数公式如公式（5）所示。

                                公式（5）

由于AOUT要求的输出范围为0~3V，而上述公式的放大倍数为则得到运放的放大倍数为，因此得到电阻值的比例值为，可以根据电阻值的比例来确定最终的电阻值。其中，上述电路的仿真结果如图9所示。

图9 调整电路的仿真波形

在仿真中使用正弦波作为输入用于仿真，范围在1.286~1.714V之间，结果如图，输出AOUT的范围正好在A/D转换器的采样范围上，可以保证A/D的全部精度，以保证温度监控的时时性。经过上述电路仿真实现，可以确保电路的正常运行，但是实际系统应用中，温度设定点FB+并不是由电阻分压得到，而是由DAC将温度设定的电压值Vset送给MAX 1978的FB+,设定的具体电路如图10。

图10 温控的温度设定

通过NTC测得的电压值如公式（6）所示。

  公式（6）

其余的电路的仿真计算都与用电阻分压的结果一致。