模電大作業(yè)基于AD590測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)與分析

1、基于AD590測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)與分析 摘 要：AD590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雙端子溫度傳感器。本文基于AD590設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)溫電路，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，使測(cè)溫電路測(cè)溫效果達(dá)到最佳。同時(shí)，本文通過(guò)理論計(jì)算以及Multisim13仿真，根據(jù)計(jì)算和仿真的結(jié)果探究電路中各項(xiàng)參數(shù)對(duì)輸出結(jié)果的影響，并對(duì)理論計(jì)算和仿真結(jié)果之間的誤差進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：AD590；測(cè)溫電路；參數(shù)指標(biāo)；理論計(jì)算；Multisim130 引言集成溫度傳感器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一塊芯片上，能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，一般用于-55150之間的溫度測(cè)量。溫敏晶

2、體管在管子的集電極電流恒定時(shí)，其基級(jí)發(fā)射極電壓與溫度呈線性關(guān)系。集成溫度傳感器有電壓型和電流型兩種，電流輸出型集成溫度傳感器在一定的溫度T時(shí)相當(dāng)于一個(gè)恒流源。因此，它不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪音的干擾，具有很好的線性特性。本文采用的AD590，只需要一種電源便可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻，即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，它使用方便，并且電流型比電壓型的測(cè)溫精度高。由于仿真軟件中并沒(méi)有AD590，因此采用恒流源可達(dá)到相同的效果。1 AD590 簡(jiǎn)介集成溫度傳感器AD590是一種電流型雙端子元件，有“+”，“-”兩個(gè)有效引腳，給這兩個(gè)引腳提供電壓后，其通過(guò)的電流與AD59

3、0的溫度呈正比，AD590管腳圖如圖1所示。最后一個(gè)引腳為傳感器外殼，可懸空或者接地（起屏蔽作用）。圖1 AD590管腳圖1.1 AD590的基本參數(shù)（1） 測(cè)溫范圍 -55150；（2） 線性電流輸出；（3） 線性度好，滿刻度范圍為0.3；（4） 電源電壓范圍430V，當(dāng)電源電壓在510V之間，電壓穩(wěn)定度為1%時(shí)，所產(chǎn)生的誤差只有0.01；（5） 電阻采用激光修刻工藝，使在25（298.2K）時(shí)，器件輸出298.2；（6） 功率損耗低。2 設(shè)計(jì)要求（1） 測(cè)量溫度范圍內(nèi)030，輸出電壓上限5V。（2） 電阻用標(biāo)稱值。（3） 給出所選運(yùn)放型號(hào)和管腳圖。（4） AD590管腳圖。（5） 對(duì)部分或

4、全部電路仿真。3、 方案提出本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的電路由三部分構(gòu)成，第一部分是直流偏置電路，第二部分是含有AD590的支路，第三部分是含運(yùn)放的線性放大電路，電路圖如圖3所示。由于AD590的輸出電流，那么要想實(shí)現(xiàn)0時(shí)電路的輸出量為0，必須加入直流偏置電路，用于抵消AD590本身所產(chǎn)生的273的直流偏移量。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)溫度每升高1，輸出電壓的變化量為10mV，又為了使輸出電壓最大值較大的同時(shí)為正值，因此選擇將兩個(gè)運(yùn)放以電阻耦合的方式連接起來(lái)作為線性放大電路，第一級(jí)放大電路為反相比例放大電路，第二級(jí)放大電路為同相比例放大電路。此時(shí)第一級(jí)放大電路的輸出變化量為10mV/，第二級(jí)放大電路的輸出變化量為100

5、mV/，此時(shí)當(dāng)AD590輸出的電流量為303時(shí)，輸出的電壓為3V，較為理想。圖2 測(cè)溫電路原理圖實(shí)驗(yàn)中采用的運(yùn)算放大器為，其管腳圖如下圖所示。圖3 OP07管腳圖4、 電路參數(shù)的選擇與理論分析過(guò)程 此電路選擇15V的電壓源供電，為使5.1V穩(wěn)壓管達(dá)到穩(wěn)壓效果又不損毀，需加保護(hù)電阻，此電路選擇的阻值為1k。又因，則，要使，則。因此，選擇的阻值為10k，變位器的阻值為10k，滑片位置為11.32%。由于仿真軟件中沒(méi)有AD590,因此選擇直流電流源代替AD590，將直流電流源的初始值設(shè)為。 對(duì)于右側(cè)線性放大電路，對(duì)于第一級(jí)放大電路，由運(yùn)放的虛短虛斷特性可得， ，此時(shí)選擇的阻值為10k，以實(shí)現(xiàn)變化1，

6、變化10mV。而為了保證輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱性，需在運(yùn)放同相輸入端接入平衡電阻R。對(duì)于第二級(jí)放大電路，同相輸入端與第一級(jí)放大電路的輸出端通過(guò)電阻耦合，耦合的電阻為平衡電阻。此時(shí)由（其中R2一端接入反相輸入端，一端接地），可設(shè)，。由于電路結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，因此無(wú)法計(jì)算兩平衡電阻的阻值，需通過(guò)具體仿真分析確定。此時(shí)電路的溫度電壓轉(zhuǎn)換當(dāng)量為100mV/，當(dāng)溫度為30時(shí)，電路輸出電壓應(yīng)為3V。5、 電路仿真本實(shí)驗(yàn)用multisim 13 進(jìn)行仿真分析，首先，連接電路圖。圖4 溫度測(cè)量電路 首先，將直流電流源置零，對(duì)左邊電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將滑片滑到13.72%處時(shí)，左側(cè)直流偏置電路輸出

7、電流為272.999，如圖5所示。此值最為理想，此時(shí)萬(wàn)用表XMM2測(cè)得電壓值為-2.73V，如圖6所示；XMM3測(cè)得電壓值為-12.704V，如圖7所示。XMM3測(cè)得的電壓值不是-27.3V的原因是OP07的正負(fù)飽和電壓值為12.7V左右，超出此值運(yùn)放輸出將達(dá)到飽和。 接下來(lái)，將直流源輸出電流調(diào)為，并通過(guò)萬(wàn)用表XMM2和XMM3的示數(shù)調(diào)節(jié)偏置電阻R5和R6的值，使得兩個(gè)萬(wàn)用表的示數(shù)盡可能小，如圖8和圖9所示。（以上電阻取的值均為標(biāo)稱值） 圖5 偏置電路輸出的偏置電流 圖6 一級(jí)放大電路輸出的電壓值圖7 二級(jí)放大電路輸出的電壓值 圖8 一級(jí)放大電路輸出的電壓值 圖9 二級(jí)放大電路輸出的電壓值 接

8、下來(lái)，改變直流源輸出電流值，觀察到當(dāng)輸出電流增加到274時(shí)，一級(jí)放大電路輸出電壓為10mV，如圖10所示；二級(jí)放大電路輸出電壓約為100mV，如圖11所示。以后當(dāng)輸出電流每增加1時(shí)，一級(jí)放大電路輸出電壓值增大約10mV，二級(jí)放大電路輸出電壓值增大約100mV。當(dāng)輸出電流增大到303時(shí)，一級(jí)放大電路輸出電壓約為300mV，如圖12所示，二級(jí)放大電路輸出電壓為3V，如圖13所示。溫度，直流源輸出電流和電路輸出電壓的關(guān)系如表一所示 圖10 一級(jí)放大電路輸出的電壓值 圖11二級(jí)放大電路輸出的電壓值 圖12 一級(jí)放大電路輸出的電壓值 圖13二級(jí)放大電路輸出的電壓值表一 溫度，直流源輸出電流和電路輸出電壓

9、的變化關(guān)系溫度（）電流（）電壓027314.665nV127499.98mV2275199.98mV3276299.98mV4277399.97mV5278499.98mV6279599.98mV7280699.98mV8281799.98mV9282899.98mV10283999.98mV112841.1V122851.2V132861.3V142871.4V152881.5V162891.6V172901.7V182911.8V192921.9V202932V212942.1V222952.2V232962.3V242972.4V252982.5V262992.6V273002.7V28

10、3012.8V293022.9V303033V6、 仿真結(jié)果與誤差分析 由仿真結(jié)果可得，此測(cè)溫電路確實(shí)能得到正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，且溫度為0時(shí)電路輸出電壓值基本為0，輸出電壓的變化量為100mV/，最終當(dāng)直流源輸出電流為303時(shí)電路輸出電壓為3V。溫度和電壓的關(guān)系如圖14所示。雖然最終結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符合，但通過(guò)仿真分析所調(diào)試出最理想的參數(shù)值與理論計(jì)算值存在一定的誤差。此時(shí)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，可發(fā)現(xiàn)左邊穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值并非5.1V，而比5.1V略小。當(dāng)減小R1的值時(shí)，可發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓值越接近5.1V。這是因?yàn)殡m然穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，但穩(wěn)壓管兩端電壓還是會(huì)隨著穩(wěn)壓管兩端電流的增大而增大，直至

11、熱擊穿損毀。則Rw的阻值必須比理論計(jì)算值稍小，才能滿足輸出偏置電流為273。這是產(chǎn)生第一個(gè)誤差的原因。但由于此誤差通過(guò)調(diào)節(jié)變位器實(shí)現(xiàn)了很好的彌補(bǔ)，因此最終輸出電壓結(jié)果與理論值是一致的。第二個(gè)誤差，即兩極放大電路級(jí)間耦合電阻，若忽略這個(gè)電阻的調(diào)節(jié)，那么當(dāng)溫度為零攝氏度時(shí)，第二級(jí)運(yùn)放的輸出可能含有較大偏移量，產(chǎn)生誤差。圖14 溫度與輸出電壓的關(guān)系7、 結(jié)束語(yǔ)在本次課程大作業(yè)中，我經(jīng)歷了一個(gè)從查閱資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到軟件仿真、數(shù)據(jù)分析的過(guò)程，我對(duì)所學(xué)的模電理論知識(shí)有了更加深刻的理解，并且初步了解了模擬電路的設(shè)計(jì)，仿真以及調(diào)試的方法。通過(guò)這次大作業(yè)，我提高了獨(dú)立思考能力和解決問(wèn)題的能力，在實(shí)踐中更好地體會(huì)了測(cè)溫電路的原理以及如何對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這也為以后的學(xué)以致用打下了基礎(chǔ)。我希望以后有更多這樣自己獨(dú)立思考，實(shí)踐的機(jī)會(huì)，而不是僅僅學(xué)習(xí)書本內(nèi)容而不加以拓展。參考文獻(xiàn)1 孟濤.電工電子EDA實(shí)踐教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.2 張?jiān)伱?陳凌霄.電子測(cè)量與電子電路實(shí)驗(yàn)教程.北京：北京郵電大學(xué)出版社,2000.3 王淑娟,蔡惟錚,齊明.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社.2009.