基于AD590的数字显示温度计设计介绍|壹芯微

AD590是常用的T/I变换器，它是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两端温度传感器。我国也开发出了同类型的产品SG590。在被测温度一定时，它相当于一个恒流源。AD590具有测量精度高，线性良好，互换性强的特性。当电源电压在5～15V之间变化时，其输出电流的变化小于1μA。本文将介绍高精度数字温度计采用AD590来设计的过程。

1.AD590简介

1.1功能及结构

AD590是电流型温度传感器，以电流为输出来指示温度值。根据特性的不同，AD590用后缀I，J，K，L，M分挡。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其外形结构如下图1所示，采用金属圆壳3脚封装，其中1脚为电源正端“+”;2脚为电流输出端“-”;3脚为管壳接地端，一般不用。电路符号如下图2所示。

图1 AD590的金属圆壳封装结构

图2 AD590的电路符号

1.2性能特点

(1)宽的工作电压范围：4～30V;

(2)宽的测温范围：-55～+150℃;

(3)线性电流输出：1μA/K,

(4)极好的线性：在测温范围内非线性误差小于±0.3℃(AD590M);

(5)激光微调使定标温度达到：±0.5℃(AD590M);

(6)最大正向电压：+44V;(7)最大反向电压：-20V;

(8)储存温度：-65～+175℃。

1.3工作原理

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。其基本电路如图3所示。

图3 感温部分的核心电路

图3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等;T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。因此，电流I1为：

I1=ΔUBE/R=(KT/q)(lnn)/R

对于AD590，n=8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA/K的I值。

2.数字显示温度计的设计

2.1AD590内部电路

图4所示是AD590的内部电路，图中的VT1～VT4相当于图3中的VT1、VT2，而VT9，VT11相当于图3中的VT3、VT4。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻。VT6的作用是使VT7，VT8的集电极电压达到平衡。

图4 AD590的内部电路

VT5、VT12和VT10为启动电路，其中VT5为恒定偏置二极管。VT10不与衬底连接，而是接入R3，以隔开衬底电容，避免衬底电容影响频率稳定性。

VT6同时还可用来防止电源接反时损坏电路。R1，R2为发射极反馈电阻，可用于提高阻抗。VT1～VT4是为热效应而设计的连接方式。C1和R4用于防止寄生振荡。该电路的设计使VT9，VTl0，VT11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1/3。

VT9和VT11的发射结面积比为8：1，VT10和VT11的发射结面积相等。

VT9和VT11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此：△UBE=(R6-2R5)I/3由上式可知，增大R5和减小R6都会使△UBE减小，但改变R5对△UBE的影响更为显着，因为它前面的系数较大。在生产工艺中就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其输出电流l为1μA/K。

2.2测温电路的设计

由于AD590为电流输出器件，因此，在设计测温电路时，首先要将电流转换成电压。温度每升高1K时，AD590的电流就增加1μA。当AD590的输出电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV/K，为了使此电阻精确到0.1%，可用一个9。6kΩ的电阻与一个1kΩ的精密电位器串联，通过调节精密电位器来获得精确的10kΩ电阻。图5所示是一个电流→电压和绝对→摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压(如1.365V)，然后调节RP2将此电压放大到2.730V。这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标对应的电压。

图5 电流→电压和绝对→摄氏温标的转换电路

将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，调节RP1使A1输出端的电压2.730V，调节RP2使A2的输出电压也为2.730V，因此A1与A2两输出端之间的电压：2.730-2.730=0V，即对应于0℃。

2.3A/D转换和显示电路的设计

设计A/D转换和显示电路具有两种方案。分述如下：

(1)用A/D转换器MC14433实现

首先将AD590的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。采用MC14433的转换电路如图6所示。此电路的作用是通过A/D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。其中MC14511为译码/锁存/驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码。LED数码显示由MC14433的位选信号DS1～DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“+”、“-”温度的显示。当DS1=1，Q2=1时，显示为正;Q2=0时，显示为负。

图6 A/D转换和数码显示电路框图

(2)用ICL7106来实现

采用ICL7106的A/D转换及LCD显示电路框图如图7所示。其中，ICL7106是3位半显示的A/D转换电路，它内含液晶显示驱动电路，可用来进行A/D转换和LCD显示驱动。

图7 A/D转换及LCD显示电路框图

结束语

AD590具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。本文基于AD590设计的数字显示温度计已在多处领域中应用。

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