基于ICL7650的溫濕度傳感器設計

孫 佳， 漆隨平， 王東明

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，山東 青島 266001；2.山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.國家海洋監(jiān)測設備工程技術研究中心，山東 青島 266001）

引言

大氣環(huán)境的溫度和相對濕度是船舶氣象儀氣象觀測要素中非常重要的氣象要素［1］。為滿足船舶氣象儀測量數(shù)據(jù)的準確性以及戰(zhàn)術指標可靠性的要求，本文在介紹了斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器ICL7650的工作原理及性能的基礎之上，根據(jù)溫濕度傳感器在艦船上安裝對信號傳輸距離的要求，設計了具有兩路4～20 mA標準模擬電流輸出的高精度溫濕度傳感器。

1 ICL7650的工作原理

ICL7650是MAXIM公司利用動態(tài)穩(wěn)定校零技術和CMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零式運算放大器，工作電壓為±5 V，具有低輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、高增益、低漂移、性能可靠穩(wěn)定、價格低等優(yōu)點，非常適合用于微弱電信號的放大［2］。

ICL7650的內(nèi)部結構示意圖如圖1所示，主要由四部分組成：主運算放大器、校零運算放大器、箝位端和補償網(wǎng)絡。其中，主運算放大器有3個輸入端，包括同相輸入端和反相輸入端，除此之外在ICL7650芯片內(nèi)部還有1個校零同相輸入端；校零運算放大器有3個輸入端，與主運算放大器相反，校零運算放大器在ICL7650芯片內(nèi)部的輸入端是反相輸入端；箝位端是一個動作開關，當輸出電壓與供電電源電壓相差1 V左右時，箝位端會將運算放大器的反相輸入端接地，防止電路飽和，減少電路的過載恢復時間；補償網(wǎng)絡可以使電路在寬頻帶內(nèi)響應平坦，由主運算放大器所決定。

圖1 ICL7650的內(nèi)部結構

在ICL7650的內(nèi)部的時鐘晶振可以產(chǎn)生200 Hz的時鐘頻率，可 以 通 過 內(nèi) 部 上 拉INT／EXT引腳來實現(xiàn)，擺脫了一般斬波穩(wěn)零電路在時鐘信號上的缺點，ICL7650的工作原理圖如下頁圖2所示。在實際應用中，電路的設計需要最大限度地降低噪聲信號，因此，電路中的兩個電容CEXTA、CEXTB需采用熱電效應好的陶瓷電容，這樣不僅可以消除空氣的擾動，而且降低漏電流對放大電路的影響。

圖2 ICL7650工作原理

2 溫濕度傳感器的電路設計

設計中選用的溫濕度敏感元件的溫度信號和濕度信號的輸出均為0～1 V電壓信號，要將微弱電壓信號通過ICL7650按一定比例放大，再將放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，才能得到4～20 mA的標準電流信號。溫濕度傳感器前置放大電路的設計采用的是ICL7650的典型電路應用中的同相比例放大電路，放大倍數(shù)計算公式由式（1）計算，為了保證放大倍數(shù)的準確性，在電路中加入了微調(diào)電位器WR1，電路原理圖如圖3所示。

圖3 放大電路原理圖

溫濕度敏感元件的溫濕度微弱電壓信號由ICL7650的第3管腳進入，微弱電壓信號經(jīng)過一定比例的放大之后將從ICL7650的第6管腳輸出，然后輸入到外圍轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換處理成電流信號；將箝位端第5管腳接到運算放大器的反相輸入端可以抬高運算放大器輸出信號的直流分量；第1管腳和第8管腳使用了熱電效應好的陶瓷電容，容值為0.1μ，接到第4引腳的負電源引腳，降低放大電路的噪聲；第5管腳接入到運算放大器的反相輸入端，減小放大電路在過載后的恢復時間；為了保證放大電路的精度，放大電路設計中采用的負反饋電阻均是千分之一精度、低溫漂的高精密電阻，通過ICL7650放大后的溫濕度信號經(jīng)過處理之后可輸出到船舶氣象儀或其他設備進行采集和顯示。

3 結語

本文介紹了高精度運算放大器ICL7650的工作原理、性能，以及在溫濕度傳感器電路設計中的應用。試驗證明，基于ICL7650高精度運算放大器設計的溫濕度傳感器合理可行，工作穩(wěn)定可靠，輸出數(shù)據(jù)準確，實現(xiàn)了溫濕度測量信號由4～20 mA模擬電流信號輸出的功能。

［1］ 劉濤，漆隨平，王洋，等.船舶氣象儀電磁兼容性試驗及分析［J］.機械管理開發(fā)，2010（6）：37-38.

［2］ ICL7650 Chopper-Stabilized Op Amps.2000 Maxim Integrated Products［S］.2000.