一、溫度測量

溫度是表示物體冷熱程度的物理量，是國際單位制7個基本量之一。

表示溫度主要有攝氏溫標、華氏溫標、熱力學溫標及國際實用溫標。

溫度傳感器將溫度變化轉換為電量或其他物理量的變化。

常見溫度傳感器有以下六大類：

1.體積熱脹冷縮：例如玻璃管水銀溫度計；
2.熱電偶；
3.電阻變化；
4.PN結電壓、電流變化；
5.溫度—顏色變化；
6.光熱輻射。

二、溫度傳感器AD590簡介

AD590是美國模擬器件AD公司利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型單片集成兩端溫度傳感器。

一般采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V+；2腳為電流輸出端I0；3腳為管殼，一般不用。

AD590的管腳圖及元件符號

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之間變化時，其電流也只是在1μA以下作微小變化。

它的主要特性如下：

1.輸出電流I（μA）等于器件所處環境的熱力學溫度（開爾文）度數，即：
     I=（273+T）（T為攝氏溫度）………（公式1）
     例如室溫27℃時,其輸出電流Io=(273+27)=300μA=0.3mA。
2.測溫范圍為-55℃～+150℃。溫度每增加1℃,它會增加1μA輸出電流。
3.工作電壓范圍為4V～30V。可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。
4.輸出電阻為710MW。
5.精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內，非線性誤差為±0.3℃。

三、溫度測量電路及其簡單分析

上圖可以分為三大部分來理解。

1.輸出顯示部分

本電路可直接連接數字表頭來顯示，做實驗時可直接用數字萬用表來作為顯示器，顯示的數值為輸出M+端電位減去M+端電位的差值，即：

V=VM+ ~ ~ - V~M-~~ ~

如上面仿真電路所示，數字萬用表顯示0.27V，實際就是代表測得溫度為27℃。

這個可以從后續電路分析得知。

實際上本電路適合長距離（可達30m）的溫度測量，

也就是說顯示儀表與測量電路之間的連接電纜可以很長，方便安裝、監測。

2.溫度測量部分

（1）電容作用

本部分電路中電容均為同一種電容，功能主要是濾波，

濾除掉電源或其他干擾帶來的各點信號電壓高頻波動。

本電路采用直流電源供電，同時AD590也主要用于相對穩定的溫度測量。

因此本電路采用直流電路的分析方法即可，在計算時可將這些電容均視為斷路，忽略不計。

（2）溫度傳感器AD590的仿真分析

由于仿真電路中沒有AD590，因此根據其恒流源的特性，采用一個電流源來代替，即圖中器件U1。

U1設置輸出電流0.3mA，根據本文前面公式1可以計算，此時代表外界溫度為27℃，如果用熱力學溫度來表示為300K。

為方便處理，電流信號一般轉換成電壓信號。

圖中電阻R1就是將通過的電流0.3mA轉換為電壓0.6V。

顯然，為了轉換準確，需保證溫度傳感器輸出電流全部流經轉換電阻R1。

圖中與R1上端連接的還有電容C1、運放OP07A。

上面已經分析了電容忽略不計，而運放工作在放大狀態時，輸入端子呈高阻狀態，輸入電流幾乎為0。

因此可以看出，溫度傳感器輸出電流幾乎全部流過轉換電阻R1，保證了轉換的準確性。

所以此時OP07第3腳電位V3=R1上端電位≈0.6V。

（3）運算放大器OP07的仿真分析

OP07芯片是一種低噪聲的雙電源供電的運算放大器集成電路，具有低失調、高開環增益的特性。

特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。

OP07的管腳圖

OP07芯片引腳功能說明：

1和8為偏置平衡(調零端，即當OP07輸入電壓為0時，如果輸出不為0，則可在此微調使其歸零)；
2為反向輸入端，3為正向輸入端；
4接地或負電源；
5空腳；
6為輸出；
7接正電源。

仿真電路圖中對應器件為OP07A，引腳功能與OP07一致。

根據運放在線性放大時的“虛短”特性有：

第2腳電位V2≈第3腳電位≈6V

根據運放在線性放大時的“虛斷”特性有：

（V2-0）/R2=（V M+ -V2）/（W1//R4+R3）

推導可得：

輸出端M+的電位V M+ =V2（W1//R4+R3+R2）/R2

代入相應元件參數可得：

V M+ =0.6（W1//1+10+2.6）/2.6

=3.138-0.231/（W1+1）

根據上式可以看出，調節可變電阻器W1可讓輸出端M+的電位變化，也就是調節OP07運算放大電路的放大倍數，

此處調節使其輸出為3V，即放大倍數為5。

需要說明的是，

由于AD590測出來的溫度單位是開爾文（K），因此本電路輸出值3V對應溫度300K。

另外受可調電位器W1的精度限制，本電路仿真時只能調整到2.994V，可視為3V。

3.基準調整電路部分

我們日常使用的溫度單位是攝氏度，與熱力學溫度相差273，

因此上面溫度測量電路測量結果需要減去273。

也就是說上面輸出電壓值3V需要減去2.73V，得到的電壓值0.27V才能直接代表相應溫度27℃。

本部分電路可提供一個精確、穩定的基準電位2.73V，以便調整輸出為攝氏度的表示數值。

（1）電容作用

與前面電路一樣，估算時可全部忽略。

（2）精密電源MC1403

MC1403的管腳圖

MC1403是美國摩托羅拉公司生產的一種新型的參考電壓器件，

當輸入電壓在4.5V~15V范圍內變化時，其輸出電壓穩定在2.5V，波動不超過±1%。

芯片引腳1為電源輸入，
引腳2為參考電壓輸出，
引腳3接地，
引腳4~8都是NC，就是不用連接。

它常用作參考電壓源（又稱基準電壓源），是電子儀器儀表中的基本部件，是精密測量系統中的基本單元之一。

由于仿真軟件proteus中沒有對應的精密電源MC1403，所以用了電源直接輸出2.5V來代替。

（3）OP07構成的放大電路

對比看出本放大電路與溫度測量電路中放大部分電路結構完全一樣，

因此分析過程也完全相同。

唯一不同就是一些電阻參數不同，

也就是說最后得出的放大倍數公式有所區別。

輸出端M-的電位V M- =V2（W2//R7+R6+R5）/R5

V M- =2.5（W2//1+0.68+10）/10

=2.92-0.25/（W2+1）

也就是說通過調節電位器W2，使得輸出端M-的電位=2.73V，

由于仿真電路精度限制，這里實際調節到2.7277V，可視為2.73V。

這樣數字表頭得到電壓值

**V=VM+ ~ ~ - V M- =3-2.73=0.27**

從而顯示0.27，表示測得溫度為27℃ 。

四、附加題

本電路還可以連接后續放大電路或輸出到單片機、PLC進行深入處理。如下圖可輸出超溫報警信號，具體原理就留給讀者自行分析啦，可以提示一下，電路與前面放大電路可以說沒有太大區別哦。

本圖中M+、M-端就是連接到前面溫度傳感器測量電路的對應端子。