基于AD590的室内温度检测系统设计与调试

1、实验七 基于AD590的室内温度检测系统设计与调试一、实验目的（1）了解AD590的内部结构、工作原理和应用。（2）学会使用各芯片设计组合电路，实现数码显示。（3）熟悉集成电路元器件的使用，了解各种芯片的原理及简单应用。二、实验器材器材名称型号数量传感器AD5901个芯片MC144331个MC14031个CD45111个MC14131个LM3241个电阻470K2个10K5个电容10f2个其他导线若干面包板1块3461AS四位共阴极数码管1块实验要求设计温度检测电路，实现对温度的检测并显示在数码管上。查找各元器件的资料，了解各元器件的原理和基本应用。温度测量范围为-50150，最后实验呈现效果

2、：数码管显示室温的示数和手持加热传感器AD590后的温度示数。实验器件详细介绍温度传感器AD590 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：（1）、流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中： I T 流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。（2）、AD590 的测温范围为-55+150。（3）、AD590 的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流T I 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590 可以承受44V 正向电压和20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。（4）

3、、输出电阻为710MW。（5）、精度高。AD590 共有I、J、K、L、M 五档，其中M 档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。 图1 AD590引脚功能图AD590工作原理：在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个lkf2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lmVK的电压信号。详见附录温度传感器AD590。A/D转换器MC14433在数字仪表中，MC14433电路是一个低功耗三位半双积分式AD转换器。和其它典型的双积分A/D转换器类似，MC14433AD转换器由积分器、比较器、计数器

4、和控制电路组成。使用MC14433时只要外接两个电阻(分别是片内RC 振荡器外接电阻和积分电阻RI)和两个电容(分别是积分电容CI和自动调零补偿电容C0)就能执行三位半的AD转换。MC14433内部模拟电路实现了如下功能：1）提高AD 转换器的输入阻抗，使输入阻抗可达l00M以上；2）和外接的RI、CI构成一个积分放大器，完成VT 转换即电压时间的转换；3）构造了电压比较器，完成“0”电平检出，将输入电压与零电压进行比较，根据两者的差值决定极性输出是“1”还是“0”。比较器的输出用作内部数字控制电路的一个判别信号；4）与外接电容器C0构成自动调零电路。除“模拟电路”以外，MC14433 内部含

5、有四位十进制计数器，对反积分时间进行3位半BCD码计数(01999)，并锁存于三分半位十进制代码数据寄存器，在控制逻辑和实时取数信号(DU)作用下，实现AD转换结果的锁定和存储。借助于多路选择开关，从高位到低位逐位输出BCD码Q0Q3，并输出相应位的多路选通脉冲标志信号DS1DS4实现三分半位数码的扫描方式（多路调制方式）输出。MC14433内部的控制逻辑是AD 转换的指挥中心，它统一控制各部分电路的工作。根据比较器的输出极性接通电子模拟开关，完成AD转换各个阶段的开关转换，产生定时转换信号以及过量程等功能标志信号。在对基准电压VREF 进行积分时，控制逻辑令4位计数器开始计数，完成AD 转换

6、。MC14433内部具有时钟发生器，它通过外接电阻构成的反馈，井利用内部电容形成振荡，产生节拍时钟脉冲，使电路统一动作，这是一种施密特触发式正反馈RC 多谐振荡器，一般外接电阻为360k时，振荡频率为100kHz；当外接电阻为470k时，振荡频率则为66kHz，当外接电阻为750k时，振荡频率为50kHz。若采用外时钟频率。则不要外接电阻，时钟频率信号从CPI(10脚)端输入，时钟脉冲CP 信号可从CPO(原文资料为CLKO)(11脚)处获得。MC14433内部可实现极性检测，用于显示输入电压UX 的正负极性；而它的过载指示(溢出)的功能是当输入电压Vx 超出量程范围时，输出过量程标志OR（低

7、有效）。MC14433是双斜率双积分AD 转换器，采用电压时间间隔(VT)方式，通过先后对被测模拟量电压UX和基准电压VREF的两次积分，将输入的被测电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，用计数器测出这个时间间隔对应的脉冲数目，即可得到被测电压的数字值。双积分过程可以做如下概要理解：首先对被测电压UX 进行固定时间T1、固定斜率的积分，其中T1=4000Tcp。显然，不同的输入电压积分的结果不同（不妨理解为输出曲线的高度不同）。然后再以固定电压VREF 以及由RI,CI所决定的积分常数按照固定斜率反向积分直至积分器输出归零，显然对于上述一次积分过程形成的不同电压而言，这一次的积分时间必然不同。

8、于是对第二次积分过程历经的时间用时钟脉冲计数，则该数N就是被测电压对应的数字量。由此实现了AD转换。积分电阻电容的选择应根据实际条件而定。若时钟频率为66kHz，CI一般取0.1F。RI的选取与量程有关，量程为2V时，取RI为470k；量程为200mV时，取RI为27k。选取RI和CI的计算公式如下：式中，UC为积分电容上充电电压幅度,UC= VDD- UX(max) - U,U = 0.5V,例如，假定CI=0.1F，VDD=5V，fCLK=66kHz。当UX(max)=2V 时，代入上式可得RI=480k，取RI=470k。MC14433设计了自动调零线路，足以保证精确的转换结果。MC14

9、433AD转换周期约需16000个时钟脉冲数，若时钟频率为48kHz，则每秒可转换3次，若时钟频率为86kHz，则每秒可转换4次。MC14433 采用24引线双列直插式封装，外引线排列，参考图1的引脚标注，各主要引脚功能说明如下：(1) 端：VAG，模拟地，是高阻输入端，作为输入被测电压UX和基准电压VREF的参考点地。(2) 端：RREF，外接基准电压输入端。(3) 端：UX，是被测电压输入端。(4) 端：RI，外接积分电阻端。(5) 端：RICI，外接积分元件电阻和电容的公共接点。(6) 端，C1，外接积分电容端，积分波形由该端输出。(7) 和 (8) 端：C01和C02，外接失调补偿电容

10、端。推荐外接失调补偿电容C0取0.1F。 图2 MC14433引脚功能图(9) 端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期即阶段5开始前，在DU端输入一正脉冲，则该周期转换结果将被送入输出锁存器并经多路开关输出，否则输出端继续输出锁存器中原来的转换结果。若该端通过一电阻和EOC 短接，则每次转换的结果都将被输出。(10) 端：CPI (CLKI)，时钟信号输入端。(11) 端：CPO (CLKO)，时钟信号输出端。(12) 端：VEE，负电源端，是整个电路的电源最负端，主要作为模拟电路部分的负电源，该端典型电流约为0.8mA，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向

11、VSS端。(13) 端：VSS负电源端(14) 端：EOC，转换周期结束标志输出端，每一AD转换周期结束，EOC端输出一正脉冲，其脉冲宽度为时钟信号周期的12。(15) 端：OR ，过量程标志输出端，当|UX|VREF时，OR输出低电平，正常量程OR为高电平。(16)(19) 端：对应为DS4DS1，分别是多路调制选通脉冲信号个位、十位、百位和千位输出端，当DS端输出高电平时，表示此刻Q。Q3输出的BCD 代码是该对应位上的数据。(20)（23）端：对应为Q0-Q3，分别是AD 转换结果数据输出BCD代码的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位输出端。(24) 端：VDD，整个电路的正电源端

12、。七段锁存-译码-驱动器CD4511CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三布分组成。(1) 四位锁存器(LATCH)：它的功能是将输入的A，B，C 和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE 端，即LATCHENABLE）控制下起锁存数据的作用。当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时它的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入的代码。由此可见，利用LE 端的控制作用可以将某一时刻的输入BCD代码寄存下来，使输出不再随输入变化。(2)

13、七段译码电路：将来自四位锁存器输出的BCD 代码译成七段显示码输出，MC4511中的七段译码器有两个控制端： LT (LAMP TEST)灯测试端。当LT = 0时，七段译码器输出全1，发光数码管各段全亮显示；当LT = 1时，译码器输出状态由BI端控制。 BI (BLANKING)消隐端。当BI = 0时，控制译码器为全0输出，发光数码管各段熄灭。BI = 1时，译码器正常输出，发光数码管正常显示。上述两个控制端配合使用，可使译码器完成显示上的一些特殊功能。(3) 驱动器：利用内部设置的NPN 管构成的射极输出器，加强驱动能力，使译码器输出驱动电流可达20mA。CD4511电源电压VDD的范

14、围为5V-15V，它可与NMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装，引脚分配和真值表参见图3。使用CD451l时应注意输出端不允许短路，应用时电路输出端需外接限流电阻。图3 CD4511引脚功能图及其真值表CD4511引脚功能： 1BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其他输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。 2LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 3LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均

15、发亮全部显示。它主要是用来检测7段数码管是否有物理损坏。 4A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。5a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。连接示意图：七路达林顿驱动器阵列MC1413MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS 或CMOS 集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC0门)。MC1413电路结构和引脚如图4所示，它采用16引脚的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。图4 MC1413引脚功能

16、图及其内部结构高精度低漂移能隙基准电源MC1403MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关。该电路的特点是： 温度系数小； 噪声小； 输入电压范围大，稳定性能好,当输入电压从+45V变化到+15V时，输出电压值变化量小于3mV；输出电压值准确度较高，y值在2.475V2.525V 以内； 压差小，适用于低压电源； 负载能力小，该电源最大输出电流为10mA。MC1403用8条引线双列直插标准封装，如图5所示。引脚说明： 1Vin 电源输入 2Vout 输出，外接0.1uf1uf的电容，Vout一般用作812bit的D/A芯片的基准电压。 3GND 接地 48NC 引脚没有和芯片

17、的内部电路连,是一空脚.。 图5 MC1403引脚功能图LM324LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端

18、的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 LM324引脚排列见图1。2。 lm124、lm224和lm324引脚功能及内部电路完全一致。lm124是军品；lm224为工业品；而lm324为民品。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用,价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路中。 实验线路设计系统原理图各组成部分电路设计AD590传感器温度采集电路及转换电路AD590的输出电流I=（273+T）A（T为摄氏温度）,因此测量的电压为2.V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来,我们使用电压跟随器其输出电压V

19、2等于输入电压V。 由于一般电源供应教多器件之后,电源是带杂波的,因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V接下来我们使用差动其输出Vo为（100K/10K）（V2-V1）=T/10,如果现在为摄氏28,输出电压为2.8V,输出电压接AD转换器,那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。（2）数字显示实验数据基本连线图：室温情况下，测试系统工作的情况：手持加热情况下，测试系统工作的情况：实验心得通过本次实验，综合性地运用诸多芯片进行实验。我通过本次实验，深入了解了温度传感器AD590的引脚参数、主要特性和基本应用，以及MC14433、MC

20、1403、CD4511、MC1413等各芯片的引脚功能图、特性等内容，极大地丰富了传感技术原理与应用课程的内容。并且还懂得了如何运用各芯片构成数码显示电路，为以后的学习和工作铺垫了很坚实的基础。参考文献【1】黄贤武传感器原理与应用【2】MC14433_CD4511_MC1413_MC1403_应用数字电压表电路图-中文资料-引脚功能-管脚说明-数显电压【3】逢玉台，王团部集电温度传感器AD590及其应用【4】中国知网【5】西南交通大学图书馆【6】百度文库附录温度传感器AD590一、简介AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V

21、至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25C)时输出298.2 A电流。AD590适用于150C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温

22、度测量。AD590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。这种输出特性还便于AD590实现多路复用：输出电流可以通过一个CMOS多路复用器切换，或者电源电压可以通过一个逻辑门输出切换。HYPERLINK /picview/1680846/1680846/0/00a82701b51a6c587bec2cd9.html 二、主要特性（1）、流过器件的电流（ mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中： I T 流过器件（AD590）的电流，单位为mA； T热力学温度，单位为K。(2) AD590

23、的测温范围为- 55+150；(3) AD590的电源电压范围为430 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；(4) 输出电阻为710 m；(5) 精度高，AD590在- 55+-150范围内，非线性误差仅为0.3。AD590的元件参数AD590的封装：TO-52AD590的引脚共有3个，只用了两个引脚(即+ -) 。第三个脚可以不用,是接外壳做屏蔽用的。HYPERLINK /picview/1680846/1680846/0/1f569482dd4fc0fbf603a69f.html 上图是从没有引脚的一端向有引脚一端看过去的图！测量温度是把整个器件放

24、到需要测温度的地方。PARAMETER参数 TEST CONDITIONS测试条件 AD590IH AD590JH 单位 Nominal Output Current at标称输出电流2 (298.2oK) -298.2 298.2 A Nominal Temperature Coefficient 标称温度系数 -1.0 1.0 A/oK Calibration Error at 25校准错误 Notes 1, 5 10.0Max 5.0 Max Absolute Error Without External Calibration Adjustment绝对误差 没有外部校准调整 -55 t

25、o 150, Note 7 20.0Max 10.0Max With External Calibration Adjustment 调整与外部校准 5.8 Max 3.0 Max Non-Linearity非线性 Note 6 3.0 Max 1.5 Max Repeatability重复性 Notes 2, 6 0.1 Max 0.1 Max Long Term Drift长期漂移 Notes 3, 6 0.1 Max 0.1 Max /Month Current Noise电流噪声 40 40 pA/Hz Power Supply Rejection电源抑制+4V V+ +5V -0.5

26、 0.5 A/V +5V V+ +15V 0.2 0.2 A/V +15V V+ +30V 0.1 0.1 A/V Case Isolation to Either Lead -1010 1010 Effective Shunt Capacitance有效并联电容 -100 100 pF Electrical Turn-On Time启动时间 Note 1 20 20 s Reverse Bias Leakage Current反向偏压泄漏电流 Note 4 10 10 pA Power Supply Range电源电压范围 -+4 to +30 +4to +30V 基本使用方法如下：AD59

27、0的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流为Iout=（273+25）=298A。AD590工作原理：在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个lkf2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lmVK的电压信号。注意事项：1、 Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为10K298A=2.98V2、 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。四、AD590应用AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多

28、点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的HYPERLINK /view/2283273.htm冷端补偿。简单应用电路（温度计）电路分析AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)A 10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。 由于一般电源供应较多零件之后,电源是带噪声的,因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件,再利用可变电阻分压,其输出电压V1需调整至2.73V。 接下来我们使用差动放大器其输出Vo为 (100K/10K)(V2-V1)=T/10V。如果现在为摄氏28度,输出电压为2.8V。 应