孫 佳， 漆隨平， 王東明

（1.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266001）

引言

大氣環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度是船舶氣象儀氣象觀測(cè)要素中非常重要的氣象要素［1］。為滿足船舶氣象儀測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)可靠性的要求，本文在介紹了斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器ICL7650的工作原理及性能的基礎(chǔ)之上，根據(jù)溫濕度傳感器在艦船上安裝對(duì)信號(hào)傳輸距離的要求，設(shè)計(jì)了具有兩路4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定校零技術(shù)和CMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零式運(yùn)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(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于微弱電信號(hào)的放大［2］。

ICL7650的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由四部分組成：主運(yùn)算放大器、校零運(yùn)算放大器、箝位端和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。其中，主運(yùn)算放大器有3個(gè)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(gè)校零同相輸入端；校零運(yùn)算放大器有3個(gè)輸入端，與主運(yùn)算放大器相反，校零運(yùn)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(gè)動(dòng)作開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸出電壓與供電電源電壓相差1 V左右時(shí)，箝位端會(huì)將運(yùn)算放大器的反相輸入端接地，防止電路飽和，減少電路的過(guò)載恢復(fù)時(shí)間；補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以使電路在寬頻帶內(nèi)響應(yīng)平坦，由主運(yùn)算放大器所決定。

圖1 ICL7650的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在ICL7650的內(nèi)部的時(shí)鐘晶振可以產(chǎn)生200 Hz的時(shí)鐘頻率，可 以 通 過(guò) 內(nèi) 部 上 拉INT／EXT引腳來(lái)實(shí)現(xiàn)，擺脫了一般斬波穩(wěn)零電路在時(shí)鐘信號(hào)上的缺點(diǎn)，ICL7650的工作原理圖如下頁(yè)圖2所示。在實(shí)際應(yīng)用中，電路的設(shè)計(jì)需要最大限度地降低噪聲信號(hào)，因此，電路中的兩個(gè)電容CEXTA、CEXTB需采用熱電效應(yīng)好的陶瓷電容，這樣不僅可以消除空氣的擾動(dòng)，而且降低漏電流對(duì)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用的溫濕度敏感元件的溫度信號(hào)和濕度信號(hào)的輸出均為0～1 V電壓信號(hào)，要將微弱電壓信號(hào)通過(guò)ICL7650按一定比例放大，再將放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，才能得到4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。溫濕度傳感器前置放大電路的設(shè)計(jì)采用的是ICL7650的典型電路應(yīng)用中的同相比例放大電路，放大倍數(shù)計(jì)算公式由式（1）計(jì)算，為了保證放大倍數(shù)的準(zhǔn)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(hào)由ICL7650的第3管腳進(jìn)入，微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jìn)行轉(zhuǎn)換處理成電流信號(hào)；將箝位端第5管腳接到運(yùn)算放大器的反相輸入端可以抬高運(yùn)算放大器輸出信號(hào)的直流分量；第1管腳和第8管腳使用了熱電效應(yīng)好的陶瓷電容，容值為0.1μ，接到第4引腳的負(fù)電源引腳，降低放大電路的噪聲；第5管腳接入到運(yùn)算放大器的反相輸入端，減小放大電路在過(guò)載后的恢復(fù)時(shí)間；為了保證放大電路的精度，放大電路設(shè)計(jì)中采用的負(fù)反饋電阻均是千分之一精度、低溫漂的高精密電阻，通過(guò)ICL7650放大后的溫濕度信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后可輸出到船舶氣象儀或其他設(shè)備進(jìn)行采集和顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了高精度運(yùn)算放大器ICL7650的工作原理、性能，以及在溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。試驗(yàn)證明，基于ICL7650高精度運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)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(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了溫濕度測(cè)量信號(hào)由4～20 mA模擬電流信號(hào)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(yàn)及分析［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2010（6）：37-38.

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