恒流源+UA741+TC7107来模拟AD590电流源工作的Proteus仿真电路图

ID:938151 · 发表于 2023-2-28 10:51

由于仿真器件库里没有AD590，而AD590是电流变化器件，控制输入的恒流源的电流变化来模拟AD590在不同温度下的电流值，通过运放的运算放大处理将电流值转化成电压值，通过TC7107采样显示出来，设置当温度大于100度时报警器亮灯报警
仿真原理图如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下载）

（1）了解常用的集成温度传感器AD590的基本原理，主要特性。
（2）掌握温度的实际监测和控制；
（3）通过本次设计掌握温度监测系统的硬件实践方法；
（4）熟悉仿真软件的使用方法；
（5）巩固所学知识，培养综合应用知识能力，锻炼动手能力和实际工作能力。

本设计的主要内容
本温度控制器采用的控制方法为降压法。具体思想为：AD590温度传感器通过电流的测量得到所需的温度值。而使此电流经过一电位器即可将此电流值转化为一定电压值，但此电压值相对于0℃时具有一定的偏移量。于是，通过一差分放大电路即可将此电压偏移量平移掉，使其电压值即为此时的温度值，然后将此电压值送入显示单元，显示数据；同时，将此电压值送入比较器，通过比较器输出的高低电压来控制三极管的饱和导通与截止，进而控制发光二极管的亮与灭，以此代表电源开关状态。
设计要求：
（1）测量和控制温度范围：0℃～100℃；
（2）控温精度：≤0.5℃；
（3）加热功率：1KW 220V 50HZ。

AD590温度控制器设计工作原理

2.1系统工作流程图

如图所示为数字温度计的原理框图。其工作原理是将被测的温度信号通过传感器转换成温度变化的电压信号，此电压信号经过放大电路后，通过模-数转换器把模拟量转变成数字量，最后将数字量送显示电路，用4位LED数码管显示。

图2-1 电路流程图

2.2系统原理框图及电路图

图2-2 总电路图

3 系统详细设计原理

3.1温度传感器

3.1.1 AD590主要特性

由于本电路是基于模拟AD590设计的，AD590是利用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。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。即使电源在5～15V之间变化，其电流只是在1μA以下作微小变化。

AD590集成温度传感器进行温度～电流转换。它是一种电流型二端器件，其内部已作修正，具有良好的互换性和线性。有消除电源波动的特性。输出阻抗达10MΩ，转换当量为

。器件采用B－1型金属壳封装。

主要特性参数如下：

工作电压：4～30V 工作温度：-55～+150℃

保存温度：-65～+175℃ 正向电压：+44V

反向电压：-20V 焊接电压（10秒）：300℃

灵敏度：1μA/K

3.1.2 集成温度控制器AD590的工作原理

AD590是一个集成温度传感器，在制造时按K氏度标定，即在0℃时，AD590的电流为273μA，温度每增加1K氏度，电流随之增减1μA，AD590的外形电路如下图3.1.2.1所示，它采用金属外壳三脚封装形式，其中1脚为电源正端V+；2脚为电流输出端1；3脚为传感器输入端并与管壳相连，一般被测温度就是管壳温度。AD590在0℃时的电流不一定正好等于273μA，偏离越多价格越低，但每度电流能够保证1μA，将一电阻与AD590串联即可将电流信号转换为电压信号，为了明确起见还应有一电位器串入，如果串入10KΩ电阻，温度每变化1K，电压变化10mV，且于温度的变化成正比，即转换当量10mV/K。当电源电压在V=4μV～30V之间时，其电流将随温度的大小而线性地变化。由于电源电压的变动亦会影响AD590的电流输出，但随电源电压的变大，其电压变动所造成的影响将变小，因此一般建议采用较高电源电压，AD590对温度T的端电流关系式为：

I（T）=I（0）=1μ/℃*T（℃）=273.2μA+TμA

V（T）=I（T）*R=273.2*R+T*R

电压输出V（T）与温度T呈线性关系

3.2转换与放大电路

3.2.1 差分偏移电路

K～℃变化环节即放大偏移电路，如图3.2.1

AD590的电流值对应绝对温度，而在温控应用中需要采用摄氏温度，因此要把℃时的273μA在10KΩ电阻的电压降2.73平移掉，即℃=K-273，K～℃的变换通过差分运算电路来实现。

电路中所有的集成运放均采用UA741。

将从温度传感器传出来的电压Va（T）（利用RW0调整使RW0+R1=10KΩ，即Va（T）=273.2μA*10KΩ+T*10KΩ=2.732V+10TmV经过一电压跟随器来降低压降电路所造成的负载效应，由电压跟随器出来的电压为Vb（T），则Vb（T）=Va（T）；

再其次为差分放大器，可知：

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

若设计Vref=2.732V且R3=R5=10KΩ 则Vc（T）=10TmV

图3-2差分偏移电路

3.2.2 比较器

这个环节有运算放大器按照比较器方式来实现，比较器的一个输入端接温度信号，另外一个输入端接温度给定电压信号,本实验研究温度范围不超过100℃，要保证温度给定电压信号为1v。当温度电压小于给定电压时，比较器输出正饱和电压值，使开关不接通，加热器不断加热：当温度电压等于给定电压时，比较器输出在正负饱和电压之间来回跳动，使开关不断接通和断开；对于有接点的开关，往往会产生火花，此时采用滞回比较器。

3.2.3 开关模拟电路

可采用有接点的继电器开关，也可以采用固态继电器，单项可控硅或双向可控硅，为了免除加热回路的强电对测温电路的危害，也可采用光电隔离器件。本图采用发光二极管LED和三极管构成的电路来模拟显示电路的工作过程。当比较器输出反相对电压时，三极管截止，二极管截止，不发光，相当于加热器正在加热。我们设定当温度为100℃时，当比较器输出正向电压时，二极管发光，提示温度过高。

3.2.4 电路原理图

AD590温度传感器与放大偏移电路部分如图所示：

图3-4部分电路原理图

3.3 A/D转换电路

TC7107是一种高性能、低功耗的三位半A\D转换器，同时包含有七段译码器、显示驱动器、参考源和时钟系统。TC7107可直接驱动共阳极LED数码管。TC7107将高精度、通用性和真正的低成本很好的结合在一起，它有低于10uV的自动校零功能，零漂小于1uV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。在用于测量负载单元、压力规管和其它桥式传感器时会有更突出的特点。

TC7107的特点：

1. 保持零电平输入时，各量程的读值均为零；

2. 1pA典型输入电流；

3. 很低的噪声（小于15

Vp-p）；

4. 片上自带时钟；

5. 低功耗；

6. 不需外接有源电路。

7. 真正的差动输入和差动参考电源，直接LCD显示驱动。

TC7107AD转换器的管脚排列及其各管脚功能如下：

V＋和V-分别为电源的正极和负极（或地）

A1-g1,a2-g2,a3-g3：分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。

Bck：千位笔画驱动信号。接千位LEO显示器的相应的笔画电极。

PM：液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。
Oscl-OSc3 ：时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：Fosl = 0.45/RC

COM ：模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST ：测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF＋ VREF- ：基准电压正负端。
CREF：外接基准电容端。
INT：27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件
IN＋和IN- ：模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。
AZ：积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz 。如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。
BUF：缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。其输出级的无功电流( idling current )是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。

3.4 数码管显示

在本次设计当中，由于TC7107的特点，它只能驱动共阳极数码管，故我们要选用共阳极七段数码管。引脚从左到右依次对应TC7107的A1—A7、第八个引脚表示小数点、最右边表示共阳极端。