恒流源+UA741+TC7107來模擬AD590電流源工作的Proteus仿真電路圖

ID:938151 · 發表于 2023-2-28 10:51

由于仿真器件庫里沒有AD590，而AD590是電流變化器件，控制輸入的恒流源的電流變化來模擬AD590在不同溫度下的電流值，通過運放的運算放大處理將電流值轉化成電壓值，通過TC7107采樣顯示出來，設置當溫度大于100度時報警器亮燈報警
仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）

（1）了解常用的集成溫度傳感器AD590的基本原理，主要特性。
（2）掌握溫度的實際監測和控制；
（3）通過本次設計掌握溫度監測系統的硬件實踐方法；
（4）熟悉仿真軟件的使用方法；
（5）鞏固所學知識，培養綜合應用知識能力，鍛煉動手能力和實際工作能力。

本設計的主要內容
本溫度控制器采用的控制方法為降壓法。具體思想為：AD590溫度傳感器通過電流的測量得到所需的溫度值。而使此電流經過一電位器即可將此電流值轉化為一定電壓值，但此電壓值相對于0℃時具有一定的偏移量。于是，通過一差分放大電路即可將此電壓偏移量平移掉，使其電壓值即為此時的溫度值，然后將此電壓值送入顯示單元，顯示數據；同時，將此電壓值送入比較器，通過比較器輸出的高低電壓來控制三極管的飽和導通與截止，進而控制發光二極管的亮與滅，以此代表電源開關狀態。
設計要求：
（1）測量和控制溫度范圍：0℃～100℃；
（2）控溫精度：≤0.5℃；
（3）加熱功率：1KW 220V 50HZ。

AD590溫度控制器設計工作原理

2.1系統工作流程圖

如圖所示為數字溫度計的原理框圖。其工作原理是將被測的溫度信號通過傳感器轉換成溫度變化的電壓信號，此電壓信號經過放大電路后，通過模-數轉換器把模擬量轉變成數字量，最后將數字量送顯示電路，用4位LED數碼管顯示。

圖2-1 電路流程圖

2.2系統原理框圖及電路圖

圖2-2 總電路圖

3 系統詳細設計原理

3.1溫度傳感器

3.1.1 AD590主要特性

由于本電路是基于模擬AD590設計的，AD590是利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。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，其電流只是在1μA以下作微小變化。

AD590集成溫度傳感器進行溫度～電流轉換。它是一種電流型二端器件，其內部已作修正，具有良好的互換性和線性。有消除電源波動的特性。輸出阻抗達10MΩ，轉換當量為

。器件采用B－1型金屬殼封裝。

主要特性參數如下：

工作電壓：4～30V 工作溫度：-55～+150℃

保存溫度：-65～+175℃ 正向電壓：+44V

反向電壓：-20V 焊接電壓（10秒）：300℃

靈敏度：1μA/K

3.1.2 集成溫度控制器AD590的工作原理

AD590是一個集成溫度傳感器，在制造時按K氏度標定，即在0℃時，AD590的電流為273μA，溫度每增加1K氏度，電流隨之增減1μA，AD590的外形電路如下圖3.1.2.1所示，它采用金屬外殼三腳封裝形式，其中1腳為電源正端V+；2腳為電流輸出端1；3腳為傳感器輸入端并與管殼相連，一般被測溫度就是管殼溫度。AD590在0℃時的電流不一定正好等于273μA，偏離越多價格越低，但每度電流能夠保證1μA，將一電阻與AD590串聯即可將電流信號轉換為電壓信號，為了明確起見還應有一電位器串入，如果串入10KΩ電阻，溫度每變化1K，電壓變化10mV，且于溫度的變化成正比，即轉換當量10mV/K。當電源電壓在V=4μV～30V之間時，其電流將隨溫度的大小而線性地變化。由于電源電壓的變動亦會影響AD590的電流輸出，但隨電源電壓的變大，其電壓變動所造成的影響將變小，因此一般建議采用較高電源電壓，AD590對溫度T的端電流關系式為：

I（T）=I（0）=1μ/℃*T（℃）=273.2μA+TμA

V（T）=I（T）*R=273.2*R+T*R

電壓輸出V（T）與溫度T呈線性關系

3.2轉換與放大電路

3.2.1 差分偏移電路

K～℃變化環節即放大偏移電路，如圖3.2.1

AD590的電流值對應絕對溫度，而在溫控應用中需要采用攝氏溫度，因此要把℃時的273μA在10KΩ電阻的電壓降2.73平移掉，即℃=K-273，K～℃的變換通過差分運算電路來實現。

電路中所有的集成運放均采用UA741。

將從溫度傳感器傳出來的電壓Va（T）（利用RW0調整使RW0+R1=10KΩ，即Va（T）=273.2μA*10KΩ+T*10KΩ=2.732V+10TmV經過一電壓跟隨器來降低壓降電路所造成的負載效應，由電壓跟隨器出來的電壓為Vb（T），則Vb（T）=Va（T）；

再其次為差分放大器，可知：

Vc（T）=（Vb（T）-Vref）*R5/R3=Vb（T）-Vref=2.73V+10TmV-Vref

若設計Vref=2.732V且R3=R5=10KΩ 則Vc（T）=10TmV

圖3-2差分偏移電路

3.2.2 比較器

這個環節有運算放大器按照比較器方式來實現，比較器的一個輸入端接溫度信號，另外一個輸入端接溫度給定電壓信號,本實驗研究溫度范圍不超過100℃，要保證溫度給定電壓信號為1v。當溫度電壓小于給定電壓時，比較器輸出正飽和電壓值，使開關不接通，加熱器不斷加熱：當溫度電壓等于給定電壓時，比較器輸出在正負飽和電壓之間來回跳動，使開關不斷接通和斷開；對于有接點的開關，往往會產生火花，此時采用滯回比較器。

3.2.3 開關模擬電路

可采用有接點的繼電器開關，也可以采用固態繼電器，單項可控硅或雙向可控硅，為了免除加熱回路的強電對測溫電路的危害，也可采用光電隔離器件。本圖采用發光二極管LED和三極管構成的電路來模擬顯示電路的工作過程。當比較器輸出反相對電壓時，三極管截止，二極管截止，不發光，相當于加熱器正在加熱。我們設定當溫度為100℃時，當比較器輸出正向電壓時，二極管發光，提示溫度過高。

3.2.4 電路原理圖

AD590溫度傳感器與放大偏移電路部分如圖所示：

圖3-4部分電路原理圖

3.3 A/D轉換電路

TC7107是一種高性能、低功耗的三位半A\D轉換器，同時包含有七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘系統。TC7107可直接驅動共陽極LED數碼管。TC7107將高精度、通用性和真正的低成本很好的結合在一起，它有低于10uV的自動校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉換誤差小于一個字。真正的差動輸入和差動參考源在各種系統中都很有用。在用于測量負載單元、壓力規管和其它橋式傳感器時會有更突出的特點。

TC7107的特點：

1. 保持零電平輸入時，各量程的讀值均為零；

2. 1pA典型輸入電流；

3. 很低的噪聲（小于15

Vp-p）；

4. 片上自帶時鐘；

5. 低功耗；

6. 不需外接有源電路。

7. 真正的差動輸入和差動參考電源，直接LCD顯示驅動。

TC7107AD轉換器的管腳排列及其各管腳功能如下：

V＋和V-分別為電源的正極和負極（或地）

A1-g1,a2-g2,a3-g3：分別為個位、十位、百位筆畫的驅動信號，依次接個位、十位、百位LED顯示器的相應筆畫電極。

Bck：千位筆畫驅動信號。接千位LEO顯示器的相應的筆畫電極。

PM：液晶顯示器背面公共電極的驅動端，簡稱背電極。
Oscl-OSc3 ：時鐘振蕩器的引出端，外接阻容或石英晶體組成的振蕩器。第38腳至第40腳電容量的選擇是根據下列公式來決定：Fosl = 0.45/RC

COM ：模擬信號公共端，簡稱“模擬地”，使用時一般與輸入信號的負端以及基準電壓的負極相連。
TEST ：測試端，該端經過500歐姆電阻接至邏輯電路的公共地，故也稱“邏輯地”或“數字地”。
VREF＋ VREF- ：基準電壓正負端。
CREF：外接基準電容端。
INT：27是一個積分電容器，必須選擇溫度系數小不致使積分器的輸入電壓產生漂移現象的元件
IN＋和IN- ：模擬量輸入端，分別接輸入信號的正端和負端。
AZ：積分器和比較器的反向輸入端，接自動調零電容CAz 。如果應用在200mV滿刻度的場合是使用0.47μF，而2V滿刻度是0.047μF。
BUF：緩沖放大器輸出端，接積分電阻Rint。其輸出級的無功電流( idling current )是100μA，而緩沖器與積分器能夠供給20μA的驅動電流，從此腳接一個Rint至積分電容器，其值在滿刻度200mV時選用47K，而2V滿刻度則使用470K。

3.4 數碼管顯示

在本次設計當中，由于TC7107的特點，它只能驅動共陽極數碼管，故我們要選用共陽極七段數碼管。引腳從左到右依次對應TC7107的A1—A7、第八個引腳表示小數點、最右邊表示共陽極端。