壹、實習目的

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壹、實習目的

一、使學生了解AD 590 的結構。

二、使學生了解AD 590 的特性。

三、使學生了解AD 590 轉換電路的原理。

四、使學生了解AD 590 的應用。

貳、相關知識

AD 590 為 Analog Devices 公司出品的一種雙端溫度轉換電流源 的單晶IC。圖 4-1 為 AD 590 內部的線路結構,及其二種常用的包裝。

(a) (b)

圖4-1 AD 590 電路及包裝

而AD 590 與其它溫度感測器比較,最主要有下列幾點特性:

1.線性電流源輸出:其轉換率為 1µA/°K。

2.有寬廣的測溫範圍:-55°C~150°C。

3.體積小:僅有二端子,配線容易,電壓輸入/電流輸出。

4.準確度極高。

5.使用的電壓範圍彈性大:+4V~30V,輸出特性不會變化,如圖 4-2 所示。

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圖4-2

AD 590 有一個準確的線性電流輸出,其轉換率為 1µA/°K, 容易 使用,不需使用電橋電路,且因其輸出為電流,故可使用很長的導線也 不會引起電壓降而產生誤差。同時其輸出電流的大小與溫度有關,而與 操作電壓(4V~30V)無關,適於長距離溫度偵測。

由於 AD 590 輸出信號為 1µA/°K 電流,如欲轉換成電壓輸出,

只須與1KΩ之負載電阻串聯即可,由 V=l‧R 原理,得到 1mV/°K 之 電壓輸出。圖4-3 所示,為一常用的 AD 590 溫度一電壓轉換電路。 由 於1KΩ 阻值必須很準確,否則會造成誤差,故可使用 910Ω固定電阻 與200Ω半固定電阻串聯成準確的 1KΩ 電阻。圖 4-3 輸出電壓轉換率為

VT=I․R=1µA/°K x 1KΩ =1mV/°K

圖4-3

AD 590 可經由適當電路安排,做各種不同功能的溫度測量與控 制,下列是幾種AD 590 常使用的電路。

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1. 最低溫度測量

將數個AD 590 安裝在不同的測溫處,而成圖 4-4 所示之串聯型式,

即可測出各測試溫度中溫度最低者。因各AD 590 的測試溫度不一樣,

但因輸出電流受串聯的限制,其迴路電流為測試溫度最低者之電流值,

若再經10 KΩ之負載電阻,可轉換為電壓輸出。

圖4-4 最低溫度測量 2. 平均溫度測量

若將數個 AD 590 並聯,如圖 4-5 所示,則通過負載電阻之電流,

為各AD 590 輸出電流之和,若選擇的負載電阻為只有一個 AD 590 負 載電阻的1/N 倍(N:AD590 數目),則在負載電阻所得到電壓即代表其平 均溫度。

圖4-5 最高溫度測量

AD590 (AS MANY AS DESIRED)

(ADDITIONAL SENSORS)

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3. 溫度差測量

欲測A 與 B 兩點間之溫度差時,可用兩個 AD590 接成如圖 4-6 所 示之電路。A 與 B 之 AD 590 電流之差,通過電阻 R3 使得 IC 741 之 輸出電壓轉換率為10mV/°C 之溫度差。而可變電阻 R2 主要的功用是 調整當A 與 B 的溫度相等時,IC 741 的輸出為 0。

V0=-(IB-IA)R3

=-(TB×1µA/°K-TA×1µA/°K) ×10KΩ

=(TA-TB) ×1µA/°K×10 KΩ

=(TA-TB) ×10mV/°K

圖4-6 溫度差測量 4. 溫度控制器

圖4-7 所示是使用 AD590 做成的可設定溫度控制器。AD581 提供 10V 的參考電壓,與 RH,RSET,RL 組成溫度設定電路,改變 RSET 可改變 AD311 比較器之非反相輸入端電壓(V+)。AD590 為溫度感測 器,安裝於待測環境中,AD590 電流流經 10KΩ電阻,產生 10mV/°K 電壓,進入 AD311 比較器反相輸入端(V-)。當 AD590 測得之溫度電 壓低於 RSET 設定的溫度電壓數值時,AD311 輸出為高電壓,使電晶 體導通,加熱器加熱,使得環境溫度升高,直到 AD590 感應的溫度超 過由 RSET 設定的溫度,加熱器才被關閉,當溫度下降低至設定溫度 時,加熱器才再被打開。而C1的功能是濾除高頻雜訊的干擾。

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圖4-7 溫度控制器

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參、實習電路原理說明

AD 590 是一個良好的溫度-電流轉換的感測元件,具有良好的線 性關係,其轉換率為1µA/°K。

圖 4-8 所示為 AD 590 轉換電路,其輸出轉換率有 100mV/°C

(Vo15)輸出。由於 AD 590 之轉換率為 1µA/°K。因運算放大器具 有極高的輸入阻抗,極小的輸入電流的特性,使得AD 590 電流完全流 過 R2 與 R3,故 U1 的輸出電壓為 1µA/°K.(R2+R3),當調整 R2 使得R2+R3=10KΩ時,U1 的輸出電壓為 10mV/°K。

因有些場合使用攝氏為單位較適合,故本轉換電路亦可以攝氏為單 位。因絕對溫度與攝氏溫度的關係為°K 數=°C 數+273.2,所以 273.2 °K 等於0 °C,也就是 273.2°K 時,轉換電路的輸出電壓為 2.732V,而 U1 的輸出電壓必須為零。故 VCR1 的電壓扣除 2.732V,即可將絕對溫度 轉換成攝氏溫度。

為了得到穩定的 2.732V,由 R6,CR1,R7,R8,R9 及 U3 組成 一穩壓電路。調整R8 可使 U3 的輸出(Vf1)為 2.732V。而 U2 的輸出 電壓(Vo15)=10(U1out-Vf1)=10(10mV/°K -2.732)=10 x 10mV/°C=

100mV/°C。

圖4-8 AD590 轉換電路

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圖4-9 電路為 AD590 轉換電路所組合而成溫度控制器。

圖4-9 溫度控制器

圖 4-9 之 LED 代表一個加熱器,當感測的溫度比設定溫度低時,

燈泡必須亮起,表示加熱。直至溫度超過設定的溫度才熄滅。

當AD590 感測的溫度低於由 VR2 所設定的溫度時( 0.01°C/mV),

U3 之 V+ 電壓低於 V-電壓 ,使 U3 的輸出電壓為-Vsat,使 Q1 導通 (ON),LED 亮起,表示加熱器正加熱中,直至感測的溫度高於設定溫 度,U3 的輸出電壓由-Vsat 轉為+Vsat,Q1 變為 OFF ,LED 即熄滅。

如將 AD590 轉換電路模板(KL-64005)與 KL-62001 之 7135AD 轉換器,如圖 4-10 所示,即可做成數位式溫度計。

圖4-10 A/D590 數位式溫度計

因 AD 590 轉換器的輸出轉換率為 100mV/°C,故 A/D 轉換器 滿刻度電壓應設定為20V,也就是將 MODE 開關置於 SENSOR LED,

RANGE 置於°C,其單位為°C。

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肆、實習儀器、設備

1. 數位式電表。

2. 溫度計。

3. 模板 KL-64005。

3. KL-62001 實驗器。

伍、實習步驟與記錄

一、數位式溫度計

1. 將 KL-64005 實驗模板置於實驗器(KL-62001)上。

2. 用 DMM 測量 sensor15 負端與地間的電阻值,並調整 R2 使其電阻 值為準確的10KΩ。

3. 打開實驗器(KL-62001)電源。

4. 調整 R8 使 Vf1 的電壓為 2.732V。

5. 將 KL-62001 MODE 置於 SENSOR,RANGE 置於°C,且 SELECT 區 MANUAL 接 GND。

6. 將 KL-64005 之 Vo15 與 KL-62001 之 DCV INPUT 端用連接線連接。

7. 改變不同溫度(溫度的改變可用烙鐵或吹風機),記錄 Vo15 之電壓。

二. 電腦界面控制實驗 功能

將各類感測器(AD590,熱電耦,PT-100,濕度,LOAD-CELL,

LVDT,光電池,壓力 V/F,F/V 等)的轉換電路之輸出電壓(範圍 0~±5V),

送到KL-62001 實驗器上之 12bit A/D 轉換器上,此 A/D 轉換器除含有 12bits 的數位信號外,還有 OR、POL、STATUS 等控制信號信號。這 些信號連接到單晶片8031 及 PIO 電腦界面。(詳細的電路於 KL-62001 使用手冊上有詳細的說明)。將各類感測器之特性,藉由單晶片的 RS-232 界面,可將資料存取記錄,列印及分析。茲將其整體架構方塊 分述於下,之後之各單元實驗皆以此為內容,不再敘述。

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轉換電路的輸出一定為直流電壓,且其電壓最大不可超過±5V,若 超此值時,必需用分壓電路將電壓除10 再送到 A/D 轉換器。12bits 的 A/D 轉換器同時送到 LATCH1、LATCH2 由 SELECT 區再選擇是要送 到PIO 界面或者單晶片電路。SELECT 區不接線時為單晶片電路。

單晶片電路接受到A/D 轉換器的信號後,即將此數位信號由顥示器 顯示。此時單晶片IC 並將此一 A/D 轉換器與指撥設定開關做比較,A/D 轉換器的信號高於設定值時,即由OUT CONTROL PIN 1 送一脈衝信 號給警報電路,蜂鳴器動作。並由PIN 4 送一控制信號到負載單元,以 達成閉迴路控制。OUT CONTROL PIN 8 接 GND,即將 A/D 轉換器的 信號透過 RS-232C 送到電腦,由電腦來控制。此時僅需一條連接電纜 線即可。

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電腦界面控制實驗:

1. KL-62001 連接圖

SECTION AREA SIGNAL TO SECTION AREA SIGNAL

SELECT MANUAL/

SINGLE CHIP

CHIP→ SELECT MANUAL/

SINGLE CHIP

GND

SINGLE CHIP

&EPROM

OUT CONTROL 1 → AMPLIFIER ALARM AMPLIFIER

SIN IN

A/D CONVERTER CONTROL A/D IN→ KL-64005 Vo15

A/D CONVERTER CONTROL GND→ KL-64005 地端

2. RS-232 界面利用連接電纜線與電腦連接。

實驗步驟:

1. 將 KL-64005 模板置於實驗器上。

2. 依本單元實驗項目一之驟 1~4 裝妥 KL-64005 線路。

3. 將 KL-62001 之指撥開關設定為 4095。(此值代表的溫度設定為 4095 x 1.222 x 0.001≒5000 50°C)

4. 將 KL-62001 電源打開。

5. 調整 KL-62001 之指撥開關如表 4-1 所列之數值,將顯示值記錄於下 表中。

指 撥 開 關 設 定 值

0819 (10°C)

1638 (20°C)

2457 (30°C)

3276 (40°C)

4095 (50°C) KL-62001 顯示數值

恆溫槽溫度(°C)

OUT CONTROL Pin1

OUT CONTROL Pin4

KL-64005 V015 電壓

表4-1

6. 當感測器之溫度超過設定值,蜂鳴器是否動作。

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7. 當感測器之溫度超過設定值,OUT CONTROL pin4 線是否為低電 位。

8. 為何溫度設定值僅設 50°C,若超過 50°C 時,要如何修改電路?

以上之功能為將 AD590 之轉換電路由單晶片將恆溫箱之溫度顯示出,

並由單晶片送出警告信號溫度己超過設定值,並送出一信號將加熱器 (PIN4)切掉電源。

9. 將 SINGLE CHIP & EPROM OUT CONTROL CTRL 端接地,將 AD590 轉換電路透過 RS-232C 將資料送給電腦做處理。此時顯示 數據己交由電腦處理。

10. 將電腦開機,並將 KL-62001 磁片置入 A 磁碟中。

11. 在 A>提示下,更換目錄到 BASIC,輸入(YOURBASIC)<ENTER>,

在 OK 提示下輸入 LOAD”KLPLOTER<ENTER>,在 OK 提示下,

輸入RUN<ENTER>。

12. 螢幕顯示

Select Monochrome or Color display:(M/C)

(若選 M 表單色,選 C 表彩色,按 ENTER 為內定值 C)

(若選 M 單色,一定要先進入可繪圖模式,例如使用 ETBASIC 等) Select RS232 ON COM1 or COM2:(1/2)

(選 1 表示設定成 COM1,選 2 表示設定成 COM2,按 ENTER 為 內定值COM2)

13. 接收顥示螢幕出現九項功能選擇,如下:

1) Acquire Data 2) Load Data 3) Save Data 4) Plot Data

5) Sample Times → 10000 6) Range(Voltage) .25to5→5

7) Sample Rate HR : MN:SC→MAX 8) Print Data

9) EXIT

功能1:由螢幕繪出所取得之測試值之曲線。

功能 2:可由檔案內讀取測試過之資料,再由第 4 功能項中,描繪 出此曲線。

功能3:由 RS232 所傳送之測試值可以儲存在磁片上。

功能4:描繪出由檔案內讀取的測試值。

功能5:可以決定傳送(讀取)幾筆的資料,內定 10000,表示可傳送

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一萬筆,若要改變,可由此項去改變,測試得筆數。

功能 6:顯示電壓範圍,由 0.25 到 5V,最大 5V,最小 0.25V,這 表示在螢幕顯示X-Y 坐標,Y 軸是以電壓為單位。

功能7:可以設定每筆測試的速度,若設定 00:00:01 代表每秒取一 次,內定MAX 表示由 RS232 全速做測試的傳送。

功能8:可選擇成印表機的測試輸出。

功能9:結束此程式的執行。

14. 由功能畫面中選擇 1,改變感測器之溫度,螢幕上應會顯示溫度值 的曲線,每1V 代表 10°C,若顯示值為 Device Timeout in 600,表 示通訊埠可能設定錯,重新執行。

15. 輸入溫度可在螢幕上顯示,RS232 能連接通信,資料可傳送,表示 RS232 界面可正常工作。

16. 選擇功能 9,結束此程式的執行。

Figure

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References

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