溫度傳感器AD590的數(shù)字溫度測量電路原理及仿真分享

一、溫度測量

溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是國際單位制7個基本量之一。

表示溫度主要有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)及國際實用溫標(biāo)。

溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量或其他物理量的變化。

常見溫度傳感器有以下六大類：

1.體積熱脹冷縮：例如玻璃管水銀溫度計；
2.熱電偶；
3.電阻變化；
4.PN結(jié)電壓、電流變化；
5.溫度—顏色變化；
6.光熱輻射。

二、溫度傳感器AD590簡介

AD590是美國模擬器件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單片集成兩端溫度傳感器。

一般采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V+；2腳為電流輸出端I0；3腳為管殼，一般不用。

AD590的管腳圖及元件符號

這種器件在被測溫度一定時，相當(dāng)于一個 恒流源 。

該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性，

即使電源在5~15V之間變化時，其電流也只是在1μA以下作微小變化。

它的主要特性如下：

1.輸出電流I（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：
     I=（273+T）（T為攝氏溫度）………（公式1）
     例如室溫27℃時,其輸出電流Io=(273+27)=300μA=0.3mA。
2.測溫范圍為-55℃～+150℃。溫度每增加1℃,它會增加1μA輸出電流。
3.工作電壓范圍為4V～30V。可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。
4.輸出電阻為710MW。
5.精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。

三、溫度測量電路及其簡單分析

上圖可以分為三大部分來理解。

1.輸出顯示部分

本電路可直接連接數(shù)字表頭來顯示，做實驗時可直接用數(shù)字萬用表來作為顯示器，顯示的數(shù)值為輸出M+端電位減去M+端電位的差值，即：

V=VM+ ~ ~ - V~M-~~ ~

如上面仿真電路所示，數(shù)字萬用表顯示0.27V，實際就是代表測得溫度為27℃。

這個可以從后續(xù)電路分析得知。

實際上本電路適合長距離（可達30m）的溫度測量，

也就是說顯示儀表與測量電路之間的連接電纜可以很長，方便安裝、監(jiān)測。

2.溫度測量部分

（1）電容作用

本部分電路中電容均為同一種電容，功能主要是濾波，

濾除掉電源或其他干擾帶來的各點信號電壓高頻波動。

本電路采用直流電源供電，同時AD590也主要用于相對穩(wěn)定的溫度測量。

因此本電路采用直流電路的分析方法即可，在計算時可將這些電容均視為斷路，忽略不計。

（2）溫度傳感器AD590的仿真分析

由于仿真電路中沒有AD590，因此根據(jù)其恒流源的特性，采用一個電流源來代替，即圖中器件U1。

U1設(shè)置輸出電流0.3mA，根據(jù)本文前面公式1可以計算，此時代表外界溫度為27℃，如果用熱力學(xué)溫度來表示為300K。

為方便處理，電流信號一般轉(zhuǎn)換成電壓信號。

圖中電阻R1就是將通過的電流0.3mA轉(zhuǎn)換為電壓0.6V。

顯然，為了轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確，需保證溫度傳感器輸出電流全部流經(jīng)轉(zhuǎn)換電阻R1。

圖中與R1上端連接的還有電容C1、運放OP07A。

上面已經(jīng)分析了電容忽略不計，而運放工作在放大狀態(tài)時，輸入端子呈高阻狀態(tài)，輸入電流幾乎為0。

因此可以看出，溫度傳感器輸出電流幾乎全部流過轉(zhuǎn)換電阻R1，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。

所以此時OP07第3腳電位V3=R1上端電位≈0.6V。

（3）運算放大器OP07的仿真分析

OP07芯片是一種低噪聲的雙電源供電的運算放大器集成電路，具有低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性。

特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。

OP07的管腳圖

OP07芯片引腳功能說明：

1和8為偏置平衡(調(diào)零端，即當(dāng)OP07輸入電壓為0時，如果輸出不為0，則可在此微調(diào)使其歸零)；
2為反向輸入端，3為正向輸入端；
4接地或負電源；
5空腳；
6為輸出；
7接正電源。

仿真電路圖中對應(yīng)器件為OP07A，引腳功能與OP07一致。

根據(jù)運放在線性放大時的“虛短”特性有：

第2腳電位V2≈第3腳電位≈6V

根據(jù)運放在線性放大時的“虛斷”特性有：

（V2-0）/R2=（V M+ -V2）/（W1//R4+R3）

推導(dǎo)可得：

輸出端M+的電位V M+ =V2（W1//R4+R3+R2）/R2

代入相應(yīng)元件參數(shù)可得：

V M+ =0.6（W1//1+10+2.6）/2.6

=3.138-0.231/（W1+1）

根據(jù)上式可以看出，調(diào)節(jié)可變電阻器W1可讓輸出端M+的電位變化，也就是調(diào)節(jié)OP07運算放大電路的放大倍數(shù)，

此處調(diào)節(jié)使其輸出為3V，即放大倍數(shù)為5。

需要說明的是，

由于AD590測出來的溫度單位是開爾文（K），因此本電路輸出值3V對應(yīng)溫度300K。

另外受可調(diào)電位器W1的精度限制，本電路仿真時只能調(diào)整到2.994V，可視為3V。

3.基準(zhǔn)調(diào)整電路部分

我們?nèi)粘Ｊ褂玫臏囟葐挝皇菙z氏度，與熱力學(xué)溫度相差273，

因此上面溫度測量電路測量結(jié)果需要減去273。

也就是說上面輸出電壓值3V需要減去2.73V，得到的電壓值0.27V才能直接代表相應(yīng)溫度27℃。

本部分電路可提供一個精確、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電位2.73V，以便調(diào)整輸出為攝氏度的表示數(shù)值。

（1）電容作用

與前面電路一樣，估算時可全部忽略。

（2）精密電源MC1403

MC1403的管腳圖

MC1403是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的一種新型的參考電壓器件，

當(dāng)輸入電壓在4.5V~15V范圍內(nèi)變化時，其輸出電壓穩(wěn)定在2.5V，波動不超過±1%。

芯片引腳1為電源輸入，
引腳2為參考電壓輸出，
引腳3接地，
引腳4~8都是NC，就是不用連接。

它常用作參考電壓源（又稱基準(zhǔn)電壓源），是電子儀器儀表中的基本部件，是精密測量系統(tǒng)中的基本單元之一。

由于仿真軟件proteus中沒有對應(yīng)的精密電源MC1403，所以用了電源直接輸出2.5V來代替。

（3）OP07構(gòu)成的放大電路

對比看出本放大電路與溫度測量電路中放大部分電路結(jié)構(gòu)完全一樣，

因此分析過程也完全相同。

唯一不同就是一些電阻參數(shù)不同，

也就是說最后得出的放大倍數(shù)公式有所區(qū)別。

輸出端M-的電位V M- =V2（W2//R7+R6+R5）/R5

V M- =2.5（W2//1+0.68+10）/10

=2.92-0.25/（W2+1）

也就是說通過調(diào)節(jié)電位器W2，使得輸出端M-的電位=2.73V，

由于仿真電路精度限制，這里實際調(diào)節(jié)到2.7277V，可視為2.73V。

這樣數(shù)字表頭得到電壓值

**V=VM+ ~ ~ - V M- =3-2.73=0.27**

從而顯示0.27，表示測得溫度為27℃ 。

四、附加題

本電路還可以連接后續(xù)放大電路或輸出到單片機、PLC進行深入處理。如下圖可輸出超溫報警信號，具體原理就留給讀者自行分析啦，可以提示一下，電路與前面放大電路可以說沒有太大區(qū)別哦。

本圖中M+、M-端就是連接到前面溫度傳感器測量電路的對應(yīng)端子。