基于ICL7650的温湿度传感器设计

孙 佳， 漆随平， 王东明

（1.山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；3.国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266001）

引言

大气环境的温度和相对湿度是船舶气象仪气象观测要素中非常重要的气象要素［1］。为满足船舶气象仪测量数据的准确性以及战术指标可靠性的要求，本文在介绍了斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650的工作原理及性能的基础之上，根据温湿度传感器在舰船上安装对信号传输距离的要求，设计了具有两路4～20 mA标准模拟电流输出的高精度温湿度传感器。

1 ICL7650的工作原理

ICL7650是MAXIM公司利用动态稳定校零技术和CMOS工艺生产的高精度斩波稳零式运算放大器，工作电压为±5 V，具有低输入失调电压、低输入偏置电流、高增益、低漂移、性能可靠稳定、价格低等优点，非常适合用于微弱电信号的放大［2］。

ICL7650的内部结构示意图如图1所示，主要由四部分组成：主运算放大器、校零运算放大器、箝位端和补偿网络。其中，主运算放大器有3个输入端，包括同相输入端和反相输入端，除此之外在ICL7650芯片内部还有1个校零同相输入端；校零运算放大器有3个输入端，与主运算放大器相反，校零运算放大器在ICL7650芯片内部的输入端是反相输入端；箝位端是一个动作开关，当输出电压与供电电源电压相差1 V左右时，箝位端会将运算放大器的反相输入端接地，防止电路饱和，减少电路的过载恢复时间；补偿网络可以使电路在宽频带内响应平坦，由主运算放大器所决定。

图1 ICL7650的内部结构

在ICL7650的内部的时钟晶振可以产生200 Hz的时钟频率，可 以 通 过 内 部 上 拉INT／EXT引脚来实现，摆脱了一般斩波稳零电路在时钟信号上的缺点，ICL7650的工作原理图如下页图2所示。在实际应用中，电路的设计需要最大限度地降低噪声信号，因此，电路中的两个电容CEXTA、CEXTB需采用热电效应好的陶瓷电容，这样不仅可以消除空气的扰动，而且降低漏电流对放大电路的影响。

图2 ICL7650工作原理

2 温湿度传感器的电路设计

设计中选用的温湿度敏感元件的温度信号和湿度信号的输出均为0～1 V电压信号，要将微弱电压信号通过ICL7650按一定比例放大，再将放大后的电压信号转换成电流信号，才能得到4～20 mA的标准电流信号。温湿度传感器前置放大电路的设计采用的是ICL7650的典型电路应用中的同相比例放大电路，放大倍数计算公式由式（1）计算，为了保证放大倍数的准确性，在电路中加入了微调电位器WR1，电路原理图如图3所示。

图3 放大电路原理图

温湿度敏感元件的温湿度微弱电压信号由ICL7650的第3管脚进入，微弱电压信号经过一定比例的放大之后将从ICL7650的第6管脚输出，然后输入到外围转换电路进行转换处理成电流信号；将箝位端第5管脚接到运算放大器的反相输入端可以抬高运算放大器输出信号的直流分量；第1管脚和第8管脚使用了热电效应好的陶瓷电容，容值为0.1μ，接到第4引脚的负电源引脚，降低放大电路的噪声；第5管脚接入到运算放大器的反相输入端，减小放大电路在过载后的恢复时间；为了保证放大电路的精度，放大电路设计中采用的负反馈电阻均是千分之一精度、低温漂的高精密电阻，通过ICL7650放大后的温湿度信号经过处理之后可输出到船舶气象仪或其他设备进行采集和显示。

3 结语

本文介绍了高精度运算放大器ICL7650的工作原理、性能，以及在温湿度传感器电路设计中的应用。试验证明，基于ICL7650高精度运算放大器设计的温湿度传感器合理可行，工作稳定可靠，输出数据准确，实现了温湿度测量信号由4～20 mA模拟电流信号输出的功能。

［1］ 刘涛，漆随平，王洋，等.船舶气象仪电磁兼容性试验及分析［J］.机械管理开发，2010（6）：37-38.

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