專利名稱：用來(lái)測(cè)量電壓或溫度以及用于產(chǎn)生具有任意預(yù)定溫度依從關(guān)系的電壓的方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量電壓和/或溫度，以及用于產(chǎn)生具有任意可預(yù)定的溫度依從關(guān)系的電壓的一種方法和一種電路。
本發(fā)明的目標(biāo)是發(fā)明用來(lái)測(cè)量電壓和/或溫度，以及用來(lái)產(chǎn)生具有任意可預(yù)定溫度依從關(guān)系的電壓的一種簡(jiǎn)單的方法，以及一種非常簡(jiǎn)單的電路，用于實(shí)現(xiàn)所述方法。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目標(biāo)通過(guò)包括以下的步驟的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)確定第一電流流過(guò)的半導(dǎo)體元件，例如二極管的pn結(jié)的第一正向電壓；然后確定第二電流流過(guò)的同一個(gè)pn結(jié)的第二正向電壓，優(yōu)選地這兩個(gè)電流的大小有十的幾次冪的差異。優(yōu)選地，這兩個(gè)測(cè)量是緊接著進(jìn)行的，因此在進(jìn)行兩個(gè)讀數(shù)時(shí)存在相同的測(cè)量狀態(tài)，就是說(shuō)，pn結(jié)的溫度是相同的，用來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法的電路供電電壓也是恒定的。隨后，通過(guò)一個(gè)運(yùn)算電路，可以根據(jù)測(cè)量值和表征pn結(jié)特性的參數(shù)，確定與被測(cè)電壓成比例的值。這個(gè)參數(shù)由分別施加第一和第二個(gè)電流時(shí)正向電壓的溫度漂移關(guān)系給出。這個(gè)參數(shù)也可以從pn結(jié)的特性族中推導(dǎo)出來(lái)。
計(jì)算所測(cè)電壓的絕對(duì)值需要恰當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)。為了確定溫度，運(yùn)算電路需要知道至少在一種電流情況下的溫度與pn結(jié)正向電壓之間的關(guān)系。這種關(guān)系由另外的參數(shù)來(lái)描述，這些參數(shù)表征pn結(jié)的特性，可以由pn結(jié)的特性族確定。通過(guò)計(jì)算的溫度，可以計(jì)算出來(lái)具有溫度依從關(guān)系的電壓。所希望的溫度依從關(guān)系由另外的參數(shù)或者函數(shù)確定。
根據(jù)本發(fā)明的電路包括A/D轉(zhuǎn)換器、可控開(kāi)關(guān)、具有pn結(jié)的半導(dǎo)體器件、例如二極管，電壓源、運(yùn)算電路和用于可控開(kāi)關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器的控制電路。由電壓源施加的電流及其大小可以通過(guò)可控開(kāi)關(guān)在兩個(gè)值之間切換，并且能夠流過(guò)pn結(jié)。在每次開(kāi)關(guān)切換后，A/D轉(zhuǎn)換器掃描在pn結(jié)內(nèi)出現(xiàn)的正向電壓，并且提供相應(yīng)的數(shù)字測(cè)量值。通過(guò)數(shù)字測(cè)量值和表征pn結(jié)特性的參數(shù)，運(yùn)算電路可以計(jì)算出與pn結(jié)的正向電壓成比例的值，與A/D轉(zhuǎn)換器供電電壓成比例值；或者，如果必要的話，以適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，運(yùn)算電路能夠計(jì)算出其絕對(duì)值，以及pn結(jié)的溫度。通過(guò)這個(gè)溫度，隨后可以計(jì)算出具有任何預(yù)定溫度依從關(guān)系的電壓；并且，如果需要的話，以模擬和數(shù)字形式發(fā)出。優(yōu)選地，這些參數(shù)和比例系數(shù)都存儲(chǔ)在運(yùn)算電路中。確定溫度所需的在所選電流下pn結(jié)的正向電壓與pn結(jié)的溫度之間的關(guān)系，以及所希望的將要產(chǎn)生的電壓的溫度依從關(guān)系，也優(yōu)選地按照某種基本上公知的方式例如用表格或者公式存儲(chǔ)在運(yùn)算電路內(nèi)，或者運(yùn)算電路能夠訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中。
通過(guò)按照本發(fā)明的方法和電路，可以產(chǎn)生一種其溫度依從關(guān)系可以設(shè)定的溫度依從電壓U(T)。這樣一種電壓例如能夠用于控制蓄電池的放電/充電過(guò)程。然而，按照本發(fā)明的這種方法或電路，同時(shí)也能夠用于測(cè)量電池組電壓或者蓄電池電壓，和/或電池組驅(qū)動(dòng)的或者蓄電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備的溫度。在包含微控制器的設(shè)備中，本發(fā)明提供的特殊的優(yōu)點(diǎn)在于這些測(cè)量也可以使用微控制器來(lái)完成，而設(shè)備中既不包括基準(zhǔn)電壓線路也不包括用來(lái)產(chǎn)生溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓的內(nèi)部電路，因而非常經(jīng)濟(jì)。
下文中，通過(guò)按照本發(fā)明的電路的實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，并且通過(guò)特性族來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的方法所需的參數(shù)的確定。附圖中

圖1為按照本發(fā)明的第一電路的原理圖；圖2為按照本發(fā)明的第二電路的原理圖；圖3為半導(dǎo)體器件的pn結(jié)的特性族；以及圖4為圖3所示特性族的另一種視圖。
在圖1中顯示的按照本發(fā)明的電路，包括一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器W，它由電壓源U0供電，所述電壓為對(duì)地電壓。A/D轉(zhuǎn)換器W的輸入通過(guò)pn結(jié)連接到地面，轉(zhuǎn)換器沿半導(dǎo)體器件的電流方向接入，而所述半導(dǎo)體器件是二極管D。通過(guò)第一和第二電阻R1和R2，并通過(guò)一個(gè)可控開(kāi)關(guān)S和第二電阻R2，具有電壓U1的另一個(gè)電壓源連接到A/D轉(zhuǎn)換器W的輸入。當(dāng)開(kāi)關(guān)S打開(kāi)時(shí)，第一電流I1可以經(jīng)由第一和第二電阻R1、R2流過(guò)二極管D，而開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)第二電流可以經(jīng)開(kāi)關(guān)S和電阻R2流過(guò)二極管D?？煽亻_(kāi)關(guān)S能夠通過(guò)由控制電路T產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，所述時(shí)鐘脈沖信號(hào)也可以輸入A/D轉(zhuǎn)換器W。A/D轉(zhuǎn)換器W的輸出連接到運(yùn)算電路R，該電路包括模擬和/或數(shù)字輸出，由此輸出希望得到的電壓，或者在其上連接顯示裝置(圖中未顯示)。優(yōu)選地，可控開(kāi)關(guān)S、控制電路T、運(yùn)算電路R和A/D轉(zhuǎn)換器W都集成在微控制器M中。通過(guò)這個(gè)電路，打開(kāi)開(kāi)關(guān)S，由第一電流I1流過(guò)二極管D，可以測(cè)量二極管D的第一正向電壓，閉合開(kāi)關(guān)S，第二電流I2流過(guò)二極管D，可以測(cè)量同一二極管D的第二正向電壓，優(yōu)選地使兩個(gè)電流I1、I2相差十的幾次冪。電壓源的電壓U0和U1，以及電阻R1和R2的選取應(yīng)使得一方面獲得所需的電流I1和I2，另一方面A/D轉(zhuǎn)換器W輸入的電壓不會(huì)超過(guò)其供電電壓U0。
圖1所示根據(jù)本發(fā)明的變形電路中，兩個(gè)電壓源的電壓U1和U0是相同的，就是說(shuō)，沒(méi)有兩個(gè)電壓源，而是只有一個(gè)。在這種情況下，如果需要達(dá)到與包括兩個(gè)電壓源的電路相同的測(cè)量精度，A/D轉(zhuǎn)換器W的分辨率必須很高。
為了產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的具有任意預(yù)定溫度依從關(guān)系的電壓，首先將所希望的溫度依從關(guān)系作為一個(gè)函數(shù)編入電路，或者作為表格存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。優(yōu)選地，參數(shù)也存儲(chǔ)在同一位置，所述參數(shù)描述了所使用的pn結(jié)的特性。下文中將通過(guò)圖3中顯示的pn結(jié)的特性族對(duì)這些特性的參數(shù)進(jìn)行描述。這些特性族反映了在半對(duì)數(shù)表達(dá)式中、pn結(jié)的不同溫度下，pn結(jié)正向電壓和流經(jīng)pn結(jié)的電流之間的關(guān)系。在這個(gè)表達(dá)式中，上述關(guān)系在很大的區(qū)域內(nèi)是線性的。
通過(guò)特性族的線性區(qū)域，在兩個(gè)不同的被選溫度T1、T2下可得到兩個(gè)不同的被選電流I1、I2，每個(gè)具有一個(gè)正向電壓U(I，T)，就是說(shuō)，總共可以取4個(gè)正向電壓U(I1，T1)、U(I1，T2)、U(I2，T1)、U(I2，T2)。正如可以從特性族中看出，正向電壓的溫度漂移ΔUΔU(I1)＝U(I1，T2)-U(I1，T1)，和ΔU(I2)＝U(I2，T2)-U(I2，T1)(1)在所選電流I1、I2和溫度T1、T2上的差異為與溫度無(wú)關(guān)的因子n，所述因子代表表征pn結(jié)特性的第一參數(shù)n＝ΔU(I1)|ΔU(I2)(2)通過(guò)帶入(1)式對(duì)(2)進(jìn)行變換，得到n*U(I2，T2)-U(I1，T2)＝n*U(I2，T1)-U(I1，T1)＝k (3)其中k為與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，表示表征pn結(jié)特性的第二參數(shù)。正如可以從特性族中看到的一樣，參數(shù)n和k與是否通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的電路的二極管D無(wú)關(guān)，而是依賴于所選電流I1、I2，例如，由于供給電壓的波動(dòng)，電流比所選的電流I1、I2小于或者大于一個(gè)特定的因子。然而，n和k卻取決于關(guān)系I1/I2。其它半導(dǎo)體器件，例如晶體管的pn結(jié)的特性族，可以使用同樣的方式測(cè)定。
通過(guò)參數(shù)n，在pn結(jié)的任何溫度下，電路能夠確定一個(gè)與pn結(jié)供給電壓U0成比例的值，或者能夠在任何給定電壓U0下，確定一個(gè)與pn結(jié)溫度成比例的值。如果除此之外，將一個(gè)特殊的溫度函數(shù)編入運(yùn)算電路，它就能夠計(jì)算具有相應(yīng)溫度依從關(guān)系的電壓，并且如果需要的話，可以以模擬或者數(shù)字的形式在它的一個(gè)輸出中發(fā)出。
首先，說(shuō)明圖1中所示的電路供電電壓U0的確定。如果在輸入中存在電壓U(T)，A/D轉(zhuǎn)換器在其輸出上提供測(cè)量值M(T)(只要不發(fā)生A/D轉(zhuǎn)換器溢出)M(T)＝Mmax*U(T)/U0(4)其中U(T)是A/D轉(zhuǎn)換器的供給電壓，而Mmax是能夠由A/D轉(zhuǎn)換器給出的最大值。以下模擬地用于輸入電壓U(I1，T)、U(I2，T)和對(duì)應(yīng)的測(cè)量值M1(T)、M2(T)U(I1，T)＝M1(T)*U0/Mmax和U(I2，T)＝M2(T)*U0/Mmax(5)如果(5)式代入(3)式中，有以下結(jié)果n*M2(T)*U0/Mmax-M1(T)*U0/Mmax＝k，或者U0＝k*Mmax/(n*M2(T)-M1(T)) (6)等式(6)表示，由測(cè)量值M1、M2確定的值1/(n*M2(T)-M1(T))的供給電壓U0與比例系數(shù)k*Mmax成比例。U0的確定與pn結(jié)的溫度無(wú)關(guān)。因?yàn)閗/(n*M2(T)-M1(T))是與pn結(jié)的溫度無(wú)關(guān)的(比較公式3)。
下面說(shuō)明用圖1所式的電路確定pn結(jié)的溫度T。如果將(6)代入(4)式，得到U(T)＝k*M(T)/(n*M2(T)-M1(T)) (7)其中電壓U(T)的溫度依從性由pn結(jié)的特性確定，如圖4所示。根據(jù)圖4，pn過(guò)度元件的溫度T和正向電壓之間的關(guān)系很大程度上式線性的，就是說(shuō)，在特性族的線性區(qū)域內(nèi)，正向電壓U(I1，T)和U(I2，T)與溫度T成比例。因此，將(6)代入(5)后，得到以下結(jié)果U(I1，T)＝k*M1(T)/(n*M2(T)-M1(T))＝a1*T+b1和U(I2，T)＝k*M2(T)/(n*M2(T)-M1(T))＝a2*T+b2(8)或者U(I2)/a2-b2/a2＝T(U)＝U(I1)/a1-b1/a1(9)參數(shù)a1、b1或者a2、b2可以由pn過(guò)度元件的特性族確定，優(yōu)選地這些參數(shù)，和參數(shù)k和n一起，存儲(chǔ)在運(yùn)算電路或者運(yùn)算電路可以訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中。因此，為了確定pn過(guò)度元件的溫度T的絕對(duì)值，要使用按照本發(fā)明的方法來(lái)測(cè)定正向電壓U(I1，T)或者U(I2，T)，然后可以計(jì)算出溫度T。確定溫度T與供給電壓U0的值無(wú)關(guān)。
為了產(chǎn)生一個(gè)具有任意溫度依從關(guān)系的電壓U(T)，所希望的電壓溫度依從關(guān)系必須進(jìn)行編程，例如作為一個(gè)函數(shù)編入運(yùn)算電路，或者須以表格的形式存儲(chǔ)在運(yùn)算電路訪問(wèn)的存儲(chǔ)器內(nèi)。優(yōu)選地，表或者程序能夠根據(jù)輸入裝置所需的方式進(jìn)行改變。在使用公式(9)確定溫度后，可以使用運(yùn)算電路計(jì)算出具有對(duì)應(yīng)溫度依從關(guān)系的電壓U(T)，并以模擬或者數(shù)字形式輸出。
例如，如果產(chǎn)生出具有確定參數(shù)a、b的電壓U(T)＝a*T+b，然后首先按照公式(8)在溫度T′確定正向電壓U(I2，T′)。然后從公式(9)按照以下方式導(dǎo)出所需的電壓U(T′)U(T′)＝U(I2，T′)*a/a2-b2*a/a2+b圖2所示的，根據(jù)本發(fā)明的電路，與參照?qǐng)D1所說(shuō)明的電路的主要不同之處在于A/D轉(zhuǎn)換器W通過(guò)二極管D的輸入不接地，而是連接到電壓源U1，并且在于A/D轉(zhuǎn)換器W通過(guò)第一和第二二電阻R1和R2以及可控開(kāi)關(guān)S的輸入不是連接到電壓源，而是接地。然而，第一和第二電阻R1、R2不是串聯(lián)，而是第二電阻與可控開(kāi)關(guān)S串聯(lián)。第一電阻R1與之并聯(lián)。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)S打開(kāi)后，第一電流I1流過(guò)第一電阻R1，而第二電流I2經(jīng)過(guò)第一電阻和第二電阻R1和R2以及開(kāi)關(guān)S流過(guò)二極管D。進(jìn)一步，值存在一個(gè)電壓源U1，通過(guò)分壓器向A/D轉(zhuǎn)換器W提供供給電壓U0，分壓器由第三和第四電阻R3、R4形成。
如圖2所示，在按照本發(fā)明的電路變種中，沒(méi)有第三和第四電阻R3、R4，就是說(shuō)，A/D轉(zhuǎn)換器W位于電壓源U1和地線之間。在這種情況下，如果需要達(dá)到圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的電路所能達(dá)到的精度，A/D轉(zhuǎn)換器W的分辨率必須很高。
在下面說(shuō)明，使用圖2中所示的電路，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器W的測(cè)得的供給電壓U0和二極管D的溫度T的計(jì)算。如果二極管D上有電壓降U，A/D轉(zhuǎn)換器W在其輸出中輸出一個(gè)測(cè)量值M；因此，如果在A/D轉(zhuǎn)換器W的輸入上出現(xiàn)電壓U0-U(只要二極管D的正向電壓始終不超過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的供給電壓U0)M＝Mmax*(U0-U)/U0(4′)其中U0是A/D轉(zhuǎn)換器的供給電壓，Mmax是A/D轉(zhuǎn)換器所能表示的最大值。模擬地，下式應(yīng)用于輸入電壓U(I1)、U(I2)和對(duì)應(yīng)的測(cè)量值M1、M2U(I1)＝U0-M1*U0/Mmax和U(I2)＝U0-M2*U0/Mmax(5′)如果把(5′)式代入(3)式中，有以下結(jié)果U0＝k*Mmax/(n(Mmax-M2)-(Mmax-M1))(6′)如果將(6′)代入(5′)后，下式用于分別具有電流I1和I2的正向電壓U(I1)和U(I2)上；U(I1)＝k*(Mmax-M1)/(n(Mmax-M2)-(Mmax-M1))和U(I2)＝k*(Mmax-M1)/(n(Mmax-M2)-(Mmax-M1))(8′)將關(guān)系(6′)、(8′)和關(guān)系(6)、(8)進(jìn)行比較顯示，使用按照?qǐng)D2的電路，除了測(cè)量值M1、M2要分別被(Mmax-M1)、(Mmax-M2)代替以外，計(jì)算測(cè)定的電壓與使用如圖1所示的電路的方法完全相同。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量電壓的方法，其特征在于，包括以下步驟確定第一電流(I1)流過(guò)的半導(dǎo)體器件中pn結(jié)的第一正向電壓(U(I1，T))的第一測(cè)量值(M1)；確定第二電流(I2)流過(guò)的同一個(gè)pn結(jié)的第二正向電壓(U(I2，T))的第二測(cè)量值(M2)；從確定的測(cè)量值(M1、M2)以及表征pn結(jié)特性的參數(shù)(n)，計(jì)算出與將被測(cè)量的電壓(U0、U(I1，T)、U(I2，T))成比例的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，參數(shù)(n)表示正向電壓的溫度漂移(ΔU(I1，T)、ΔU(I2，T))和所選電流(I1、I2)之間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，優(yōu)選地兩個(gè)電流(I1、I2)的差別為十的幾次冪。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的方法，其特征在于，將被測(cè)量的電壓(U0、U(I1，T)、U(I2，T))由比例值和比例系數(shù)計(jì)算得到。
5.一種用于測(cè)量溫度的方法，其特征在于，以下步驟在預(yù)定電流(I)的情況下，通過(guò)按照上述任一權(quán)利要求所述的測(cè)量電壓的方法，測(cè)量半導(dǎo)體器件的pn結(jié)的正向電壓(U(I，T))；和由測(cè)定的正向電壓值(U(I，T))和先前確定的在預(yù)定電流(I)下pn結(jié)的溫度和正向電壓(U(I，T))之間的關(guān)系，計(jì)算pn結(jié)的溫度(T)。
6.一種用于產(chǎn)生具有預(yù)定的溫度依從關(guān)系的電壓的方法，其特征在于，包括以下步驟按照權(quán)利要求5確定半導(dǎo)體器件的pn結(jié)的溫度；和由預(yù)定溫度和預(yù)定溫度依從關(guān)系計(jì)算具有預(yù)定溫度依從關(guān)系的電壓。
7.一種用來(lái)測(cè)量電壓、溫度和/或用來(lái)產(chǎn)生具有預(yù)定的溫度依從關(guān)系的電壓，特別是用來(lái)實(shí)現(xiàn)前述任一權(quán)利要求所述的方法的電路，其特征在于，包括A/D轉(zhuǎn)換器(W)、具有pn結(jié)的半導(dǎo)體元件(D)和提供通過(guò)pn結(jié)的第一和第二電流(I1、I2)的電壓源，其中pn結(jié)與A/D轉(zhuǎn)換器(W)的輸入并聯(lián)，并且包括一個(gè)連接在A/D轉(zhuǎn)換器(W)的輸出上的運(yùn)算電路(R)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電路，其特征在于，它進(jìn)一步包括可控開(kāi)關(guān)(S)和用來(lái)控制可控開(kāi)關(guān)(S)和A/D轉(zhuǎn)換器(W)的控制電路(T)，并且由電壓源提供的電流(I1、I2)的大小能夠通過(guò)可控開(kāi)關(guān)(S)進(jìn)行切換。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的電路，其特征在于，具有存儲(chǔ)器，其中可以存儲(chǔ)表征pn結(jié)和/或表征預(yù)定的溫度依從關(guān)系的參數(shù)，而且運(yùn)算電路(R)可以訪問(wèn)所述存儲(chǔ)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法和一種電路，用來(lái)測(cè)量電壓和溫度，并且用來(lái)產(chǎn)生具有可調(diào)的溫度依從關(guān)系的電壓。按照本發(fā)明，該方法包括以下步驟確定第一電流(I1)流過(guò)的半導(dǎo)體器件中pn結(jié)的第一正向電壓(U
文檔編號(hào)G01R19/32GK1426537SQ01808754
公開(kāi)日2003年6月25日 申請(qǐng)日期2001年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月21日
發(fā)明者托爾斯滕·克萊姆, 京特·貝克 申請(qǐng)人:布勞恩有限公司