模电大作业基于AD590测温电路的设计与分析

基于AD590测温电路的设计与分析摘要：AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型双端子温度传感器。本文基于AD590设计了一个测温电路，并根据设计要求调节各项参数指标，使测温电路测温效果达到最佳。同时，本文通过理论计算以及Multisim13仿真，根据计算和仿真的结果探究电路中各项参数对输出结果的影响，并对理论计算和仿真结果之间的误差进行了分析。关键词：AD590；测温电路；参数指标；理论计算；Multisim130引言集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于-55℃~﹢150℃之间的温度测量。温敏晶体管在管子的集电极电流恒定时，其基级发射极电压与温度呈线性关系。集成温度传感器有电压型和电流型两种，电流输出型集成温度传感器在一定的温度T时相当于一个恒流源。因此，它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪音的干扰，具有很好的线性特性。本文采用的AD590，只需要一种电源便可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻，即可实现电流到电压的转换，它使用方便，并且电流型比电压型的测温精度高。由于仿真软件中并没有AD590，因此采用恒流源可达到相同的效果。1AD590简介集成温度传感器AD590是一种电流型双端子元件，有“+”，“-”两个有效引脚，给这两个引脚提供电压后，其通过的电流与AD590的温度呈正比，AD590管脚图如图1所示。最后一个引脚为传感器外壳，可悬空或者接地（起屏蔽作用）。图1AD590管脚图1.1AD590的基本参数（1）测温范围-55℃~﹢150℃；（2）线性电流输出KA/1；（3）线性度好，满刻度范围为±0.3℃；（4）电源电压范围4~30V，当电源电压在5~10V之间，电压稳定度为1%时，所产生的误差只有±0.01℃；（5）电阻采用激光修刻工艺，使在﹢25℃（298.2K）时，器件输出298.2A；（6）功率损耗低。2设计要求（1）测量温度范围内0℃~30℃，输出电压上限5V。（2）电阻用标称值。（3）给出所选运放型号和管脚图。（4）AD590管脚图。（5）对部分或全部电路仿真。3、方案提出本实验所设计的电路由三部分构成，第一部分是直流偏置电路，第二部分是含有AD590的支路，第三部分是含运放的线性放大电路，电路图如图3所示。由于AD590的输出电流ACtI)273(，那么要想实现0℃时电路的输出量为0，必须加入直流偏置电路，用于抵消AD590本身所产生的273A的直流偏移量。同时，为了实现温度每升高1℃，输出电压的变化量为10mV，又为了使输出电压最大值较大的同时为正值，因此选择将两个运放以电阻耦合的方式连接起来作为线性放大电路，第一级放大电路为反相比例放大电路，第二级放大电路为同相比例放大电路。此时第一级放大电路的输出变化量为10mV/℃，第二级放大电路的输出变化量为100mV/℃，此时当AD590输出的电流量为303A时，输出的电压为3V，较为理想。AR'DZR1RWR2Rf1I1IfIV15-+15V5.1VUOAD590图2测温电路原理图实验中采用的运算放大器为07OP，其管脚图如下图所示。图3OP07管脚图4、电路参数的选择与理论分析过程此电路选择±15V的电压源供电，为使5.1V稳压管达到稳压效果又不损毁，需加保护电阻1R，此电路选择1R的阻值为1kΩ。又因)(21RRIUwz，则12IURRzw，要使AI2731，则kRRw68.182。因此，选择2R的阻值为10kΩ，变位器wR的阻值为10kΩ，滑片位置为11.32%。由于仿真软件中没有AD590,因此选择直流电流源代替AD590，将直流电流源的初始值设为AI273。对于右侧线性放大电路，对于第一级放大电路，由运放的虚短虚断特性可得，1111)(fffoRIIRIU，此时选择1fR的阻值为10kΩ，以实现I变化1A，1oU变化10mV。而为了保证输入级差分放大电路的对称性，需在运放同相输入端接入平衡电阻R’。对于第二级放大电路，同相输入端与第一级放大电路的输出端通过电阻耦合，耦合的电阻为平衡电阻21R。此时由101'222RRAfu（其中R2’一端接入反相输入端，一端接地），可设kRf92，kR1'2。由于电路结构略微复杂，因此无法计算两平衡电阻的阻值，需通过具体仿真分析确定。此时电路的温度电压转换当量为100mV/℃，当温度为30℃时，电路输出电压应为3V。5、电路仿真本实验用multisim13进行仿真分析，首先，连接电路图。VCC15.0VD15.1VR11kΩRw10kΩKey=A13.72%R210kΩI1273uAR310kΩVEE-15.0VVCC15.0VXMM2R49kΩR527kΩXMM3R71kΩU1OP07CP3247681U2OP07CP3247681VEE-15.0VR61.15kΩXMM1图4温度测量电路首先，将直流电流源置零，对左边电路的参数进行设置。仿真过程中发现，将滑片滑到13.72%处时，左侧直流偏置电路输出电流为272.999A，如图5所示。此值最为理想，此时万用表XMM2测得电压值为-2.73V，如图6所示；XMM3测得电压值为-12.704V，如图7所示。XMM3测得的电压值不是-27.3V的原因是OP07的正负饱和电压值为12.7V左右，超出此值运放输出将达到饱和。接下来，将直流源输出电流调为AI273，并通过万用表XMM2和XMM3的示数调节偏置电阻R5和R6的值，使得两个万用表的示数尽可能小，如图8和图9所示。（以上电阻取的值均为标称值）图5偏置电路输出的偏置电流图6一级放大电路输出的电压值图7二级放大电路输出的电压值图8一级放大电路输出的电压值图9二级放大电路输出的电压值接下来，改变直流源输出电流值，观察到当输出电流增加到274A时，一级放大电路输出电压为10mV，如图10所示；二级放大电路输出电压约为100mV，如图11所示。以后当输出电流每增加1A时，一级放大电路输出电压值增大约10mV，二级放大电路输出电压值增大约100mV。当输出电流增大到303A时，一级放大电路输出电压约为300mV，如图12所示，二级放大电路输出电压为3V，如图13所示。温度，直流源输出电流和电路输出电压的关系如表一所示图10一级放大电路输出的电压值图11二级放大电路输出的电压值图12一级放大电路输出的电压值图13二级放大电路输出的电压值表一温度，直流源输出电流和电路输出电压的变化关系温度（℃）电流（A）电压027314.665nV127499.98mV2275199.98mV3276299.98mV4277399.97mV5278499.98mV6279599.98mV7280699.98mV8281799.98mV9282899.98mV10283999.98mV112841.1V122851.2V132861.3V142871.4V152881.5V162891.6V172901.7V182911.8V192921.9V202932V212942.1V222952.2V232962.3V242972.4V252982.5V262992.6V273002.7V283012.8V293022.9V303033V6、仿真结果与误差分析由仿真结果可得，此测温电路确实能得到正比于绝对温度的理想线性输出，且温度为0℃时电路输出电压值基本为0，输出电压的变化量为100mV/℃，最终当直流源输出电流为303A时电路输出电压为3V。温度和电压的关系如图14所示。虽然最终结果与理论计算结果相符合，但通过仿真分析所调试出最理想的参数值与理论计算值存在一定的误差。此时对电路进行调试，可发现左边稳压管的稳压值并非5.1V，而比5.1V略小。当减小R1的值时，可发现稳压值越接近5.1V。这是因为虽然稳压管工作在反向击穿区，但稳压管两端电压还是会随着稳压管两端电流的增大而增大，直至热击穿损毁。则Rw的阻值必须比理论计算值稍小，才能满足输出偏置电流为273A。这是产生第一个误差的原因。但由于此误差通过调节变位器实现了很好的弥补，因此最终输出电压结果与理论值是一致的。第二个误差，即两极放大电路级间耦合电阻，若忽略这个电阻的调节，那么当温度为零摄氏度时，第二级运放的输出可能含有较大偏移量，产生误差。图14温度与输出电压的关系7、结束语在本次课程大作业中，我经历了一个从查阅资料、设计实验到软件仿真、数据分析的过程，我对所学的模电理论知识有了更加深刻的理解，并且初步了解了模拟电路的设计，仿真以及调试的方法。通过这次大作业，我提高了独立思考能力和解决问题的能力，在实践中更好地体会了测温电路的原理以及如何对电路参数进行调节，这也为以后的学以致用打下了基础。我希望以后有更多这样自己独立思考，实践的机会，而不是仅仅学习书本内容而不加以拓展。参考文献[1]孟涛.电工电子EDA实践教程.北京：机械工业出版社,2012.[2]张咏梅,陈凌霄.电子测量与电子电路实验教程.北京：北京邮电大学出版社,2000.[3]王淑娟,蔡惟铮,齐明.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社.2009.[4]蒋敏兰,胡生清,幸国全.AD590温度传感器的非线性补偿应用[J].传感器技术,2001年第20(10)期,54-55页.[5]逢玉台,王团部.集电温度传感器AD590及其应用[J].国外电子元器件,2002年第6期,22-24页.[6]莫建鹏,於黄忠,罗敬雅.基于集成温度传感器AD590测温电路的应用与实践[J].电子元器件应用,2007年第2期,56-59页.