AD590是常用的T/I變換器，它是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。我國(guó)也開(kāi)發(fā)出了同類(lèi)型的產(chǎn)品SG590。在被測(cè)溫度一定時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)恒流源。AD590具有測(cè)量精度高，線性良好，互換性強(qiáng)的特性。當(dāng)電源電壓在5～15V之間變化時(shí)，其輸出電流的變化小于1μA。本文將介紹高精度數(shù)字溫度計(jì)采用AD590來(lái)設(shè)計(jì)的過(guò)程。
1.AD590簡(jiǎn)介
1.1功能及結(jié)構(gòu)
AD590是電流型溫度傳感器，以電流為輸出來(lái)指示溫度值。根據(jù)特性的不同，AD590用后綴I，J，K，L，M分擋。AD590L，AD590M一般用于精密溫度測(cè)量電路，其外形結(jié)構(gòu)如下圖1所示，采用金屬圓殼3腳封裝，其中1腳為電源正端“+”;2腳為電流輸出端“-”;3腳為管殼接地端，一般不用。電路符號(hào)如下圖2所示。
圖1 AD590的金屬圓殼封裝結(jié)構(gòu)
圖2 AD590的電路符號(hào)
1.2性能特點(diǎn)
(1)寬的工作電壓范圍：4～30V;
(2)寬的測(cè)溫范圍：-55～+150℃;
(3)線性電流輸出：1μA/K,
(4)極好的線性：在測(cè)溫范圍內(nèi)非線性誤差小于±0.3℃(AD590M);
(5)激光微調(diào)使定標(biāo)溫度達(dá)到：±0.5℃(AD590M);
(6)最大正向電壓：+44V;(7)最大反向電壓：-20V;
(8)儲(chǔ)存溫度：-65～+175℃。
1.3工作原理
在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè)1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有1mV/K的電壓信號(hào)。其基本電路如圖3所示。
圖3 感溫部分的核心電路
圖3是利用ΔUBE特性的集成PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等;T3、T4是感溫用的晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但T3實(shí)質(zhì)上是由n個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結(jié)電壓UBE3和UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為ΔUBE。因此，電流I1為：
I1=ΔUBE/R=(KT/q)(lnn)/R
對(duì)于AD590，n=8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖3中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到1μA/K的I值。
2.數(shù)字顯示溫度計(jì)的設(shè)計(jì)
2.1AD590內(nèi)部電路
圖4所示是AD590的內(nèi)部電路，圖中的VT1～VT4相當(dāng)于圖3中的VT1、VT2，而VT9，VT11相當(dāng)于圖3中的VT3、VT4。R5、R6是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻。VT6的作用是使VT7，VT8的集電極電壓達(dá)到平衡。
圖4 AD590的內(nèi)部電路
VT5、VT12和VT10為啟動(dòng)電路，其中VT5為恒定偏置二極管。VT10不與襯底連接，而是接入R3，以隔開(kāi)襯底電容，避免襯底電容影響頻率穩(wěn)定性。
VT6同時(shí)還可用來(lái)防止電源接反時(shí)損壞電路。R1，R2為發(fā)射極反饋電阻，可用于提高阻抗。VT1～VT4是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接方式。C1和R4用于防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使VT9，VTl0，VT11三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個(gè)電路總電流I的1/3。
VT9和VT11的發(fā)射結(jié)面積比為8：1，VT10和VT11的發(fā)射結(jié)面積相等。
VT9和VT11的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻R5和R6上，因此：△UBE=(R6-2R5)I/3由上式可知，增大R5和減小R6都會(huì)使△UBE減小，但改變R5對(duì)△UBE的影響更為顯著，因?yàn)樗懊娴南禂?shù)較大。在生產(chǎn)工藝中就是利用激光修正R5以進(jìn)行粗調(diào)，修正R6以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其輸出電流l為1μA/K。
2.2測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)
由于AD590為電流輸出器件，因此，在設(shè)計(jì)測(cè)溫電路時(shí)，首先要將電流轉(zhuǎn)換成電壓。溫度每升高1K時(shí)，AD590的電流就增加1μA。當(dāng)AD590的輸出電流通過(guò)一個(gè)10kΩ的電阻時(shí)，這個(gè)電阻上的壓降為10mV，即轉(zhuǎn)換成10mV/K，為了使此電阻精確到0.1%，可用一個(gè)9。6kΩ的電阻與一個(gè)1kΩ的精密電位器串聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)精密電位器來(lái)獲得精確的10kΩ電阻。圖5所示是一個(gè)電流→電壓和絕對(duì)→攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路，其中運(yùn)算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號(hào)的輸入阻抗。而運(yùn)放A2的作用是把絕對(duì)溫標(biāo)轉(zhuǎn)換成攝氏溫標(biāo)，給A2的同相輸入端輸入一個(gè)恒定的電壓(如1.365V)，然后調(diào)節(jié)RP2將此電壓放大到2.730V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標(biāo)對(duì)應(yīng)的電壓。
圖5 電流→電壓和絕對(duì)→攝氏溫標(biāo)的轉(zhuǎn)換電路
將AD590放入0℃的冰水混合溶液中，調(diào)節(jié)RP1使A1輸出端的電壓2.730V，調(diào)節(jié)RP2使A2的輸出電壓也為2.730V，因此A1與A2兩輸出端之間的電壓：2.730-2.730=0V，即對(duì)應(yīng)于0℃。
2.3A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換和顯示電路具有兩種方案。分述如下：
(1)用A/D轉(zhuǎn)換器MC14433實(shí)現(xiàn)
首先將AD590的輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，由于此信號(hào)為模擬信號(hào)，因此，要進(jìn)行數(shù)碼顯示，還需將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。采用MC14433的轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。此電路的作用是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器MC14433將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以控制顯示電路。其中MC14511為譯碼/鎖存/驅(qū)動(dòng)電路，它的輸入為BCD碼，輸出為七段譯碼。LED數(shù)碼顯示由MC14433的位選信號(hào)DS1～DS4通過(guò)達(dá)林頓陣列MC1413來(lái)驅(qū)動(dòng)，并由MC14433的DS1、Q2端來(lái)控制“+”、“-”溫度的顯示。當(dāng)DS1=1，Q2=1時(shí)，顯示為正;Q2=0時(shí)，顯示為負(fù)。
圖6 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示電路框圖
(2)用ICL7106來(lái)實(shí)現(xiàn)
采用ICL7106的A/D轉(zhuǎn)換及LCD顯示電路框圖如圖7所示。其中，ICL7106是3位半顯示的A/D轉(zhuǎn)換電路，它內(nèi)含液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路，可用來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和LCD顯示驅(qū)動(dòng)。
圖7 A/D轉(zhuǎn)換及LCD顯示電路框圖
結(jié)束語(yǔ)
AD590具有線性?xún)?yōu)良、性能穩(wěn)定、靈敏度高、無(wú)需補(bǔ)償、熱容量小、抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離測(cè)溫且使用方便等優(yōu)點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于各種冰箱、空調(diào)器、糧倉(cāng)、冰庫(kù)、工業(yè)儀器配套和各種溫度的測(cè)量和控制等領(lǐng)域。本文基于AD590設(shè)計(jì)的數(shù)字顯示溫度計(jì)已在多處領(lǐng)域中應(yīng)用。
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