ADI實(shí)驗(yàn)室電路:集成冷結(jié)補(bǔ)償?shù)腒型熱電偶測(cè)量系統(tǒng)

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一款完整的熱電偶信號(hào)調(diào)理電路，帶有冷結(jié)補(bǔ)償功能并后接一個(gè)16位∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 AD8495熱電偶放大器為測(cè)量K型熱電偶溫度提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案，且包含冷結(jié)補(bǔ)償功能。

AD8495中的固定增益儀表放大器可放大熱電偶的小電壓，以提供5 mV/°C輸出。該放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制熱電偶的長(zhǎng)引線可能會(huì)拾取的共模噪聲。如需額外保護(hù)，該放大器的高阻抗輸入端允許輕松添加額外的濾波措施。

AD8476差分放大器提供正確的信號(hào)電平和共模電壓，以驅(qū)動(dòng) AD7790 16位Σ-Δ 型ADC。

該電路為熱電偶信號(hào)調(diào)理和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換提供了一種緊湊的低成本解決方案。

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圖1. 集成冷結(jié)補(bǔ)償?shù)腒型熱電偶測(cè)量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接）

電路描述

熱電偶是一種廣泛用于溫度測(cè)量的簡(jiǎn)單元件。它由兩種異質(zhì)金屬的連接結(jié)組成。這些金屬在一端相連，形成測(cè)量結(jié)，也稱為熱結(jié)。熱電偶的另一端連接到與測(cè)量電子裝置相連的金屬線。這種連接形成了第二個(gè)結(jié)——基準(zhǔn)結(jié)，也稱為冷結(jié)。為了得出測(cè)量結(jié)的溫度（TMJ），用戶必須知道熱電偶所產(chǎn)生的差分電壓。用戶還必須知道基準(zhǔn)結(jié)溫（TRJ）所產(chǎn)生的誤差電壓。補(bǔ)償基準(zhǔn)結(jié)溫誤差電壓稱為冷結(jié)補(bǔ)償。為使輸出電壓精確地代表熱結(jié)測(cè)量結(jié)果，電子裝置必須補(bǔ)償基準(zhǔn)（冷）結(jié)溫的任何變化。

該電路使用 AD8495熱電偶放大器，并采用單個(gè)5 V電源供電。AD8495的輸出電壓針對(duì)5 mV/°C校準(zhǔn)。采用5 V單電源時(shí)，輸出在大約75 mV和4.75 V之間保持線性，對(duì)應(yīng)于15°C至950°C的溫度范圍。AD8495的輸出驅(qū)動(dòng) AD8476 單位增益差分放大器的同相輸入端，該放大器則將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸出，用于驅(qū)動(dòng)AD7790 16位Σ-Δ 型ADC。

AD8495輸入端之前的低通差分和共模濾波器可消除RF信號(hào)，如果任由其到達(dá)AD8495，它可能會(huì)被整流，表現(xiàn)為溫度波動(dòng)。兩個(gè)100Ω電阻和一個(gè)1μF電容構(gòu)成一個(gè)截止頻率為800Hz的差分濾波器。兩個(gè)0.01nF電容構(gòu)成一個(gè)截止頻率為160 kHz的共模濾波器。AD8476差分放大器的輸出端在信號(hào)施加于AD7790 ADC之前使用了一個(gè)類似的濾波器。

AD8495輸入可保護(hù)器件不受最高超出對(duì)側(cè)供電軌25 V的輸入電壓偏移的影響。例如，在該電路中，正供電軌為5 V而負(fù)供電軌接地時(shí)，器件可以安全地承受-20 V至+25 V的輸入電壓?；鶞?zhǔn)引腳和檢測(cè)引腳處的電壓不得超出供電軌0.3 V以上。此特性對(duì)存在電源時(shí)序控制問(wèn)題的應(yīng)用特別重要，這類問(wèn)題可導(dǎo)致信號(hào)源在施加放大器電源之前活動(dòng)。

該系統(tǒng)的理論分辨率可根據(jù)AD8495的帶寬、電壓噪聲密度和增益來(lái)計(jì)算得出。峰峰值（無(wú)噪聲碼）分辨率（單位為位）為：

AD8476是一款功耗極低的全差分精密放大器，集成了用于單位增益的薄膜激光調(diào)整型10kΩ增益電阻。它是此類應(yīng)用的理想之選，因?yàn)樗軌蚍乐乖贏D8495上施加相對(duì)較高的阻抗負(fù)載。

AD7790是一款適合低頻測(cè)量應(yīng)用的低功耗、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲16位∑-△ADC，其中有一個(gè)可配置為緩沖或無(wú)緩沖模式的差分輸入端。

測(cè)試結(jié)果

衡量該電路性能的一個(gè)重要指標(biāo)是線性誤差量。在-25°C至+400°C范圍內(nèi)，AD8495的輸出精度在2°C以內(nèi)。在此范圍以內(nèi)或以外工作時(shí)，要實(shí)現(xiàn)更高的精度，必須在軟件中實(shí)施一種線性校正算法。CN-0271評(píng)估軟件使用NIST熱電電壓查找表來(lái)確保15°C至950°C范圍內(nèi)輸出誤差在1°C以內(nèi)。

圖2將AD8495與CN-0271系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較，并顯示了對(duì)ADC輸出進(jìn)行線性化校正后的結(jié)果。有關(guān)如何在軟件中實(shí)施此算法的詳情，請(qǐng)參見(jiàn) AN-1087 應(yīng)用筆記使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497時(shí)的熱電偶線性化。

圖2. AD8495輸出誤差、CN-0271電路總誤差圖2. AD8495輸出誤差、CN-0271電路總誤差以及熱電偶非線性校正后的CN-0271電路總誤差

系統(tǒng)的噪聲性能對(duì)電路的精度也很重要。圖3顯示了1，000個(gè)測(cè)量樣本的直方圖。該數(shù)據(jù)是利用連接到EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)（SDP-B）評(píng)估板的 CN-0271 評(píng)估板獲得的。有關(guān)設(shè)置詳情，請(qǐng)參見(jiàn)“電路評(píng)估與測(cè)試”部分。

測(cè)得的峰峰值噪聲約為6 LSB （1 LSB = 4.9 V ÷ 65536 = 74.8μV），對(duì)應(yīng)于0.449 mV p-p和13.4位的無(wú)噪聲分辨率。

這表明轉(zhuǎn)換器并未降低無(wú)噪聲分辨率，因?yàn)閺墓潭犭娕驾斎腚妷核鶞y(cè)分辨率而得到的無(wú)噪聲位數(shù)與根據(jù)AD8495的理論輸出噪聲而預(yù)測(cè)的無(wú)噪聲位數(shù)大致相同。

圖3. 120 Hz條件下1，000個(gè)樣本的碼字直方圖

常見(jiàn)變化

為了測(cè)量負(fù)溫度，需對(duì)基準(zhǔn)引腳施加一個(gè)電壓，以偏置0°C時(shí)的輸出電壓。 AD8495 的輸出電壓為：

VOUT = （TMJ × 5 mV/°C） + VREF

通過(guò)將電路修改為采用雙電源供電，可以測(cè)量完整的K型熱電偶范圍?200°C至+1250°C。AD8495采用單電源供電時(shí)，測(cè)量低于環(huán)境溫度的溫度時(shí)會(huì)得到非線性結(jié)果，因?yàn)檩敵鲩_(kāi)始發(fā)生飽和，接近于供電軌。要在較低溫度條件下保持精度不變，請(qǐng)使用雙電源，或者通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)引腳施加合適的偏移電壓對(duì)輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

AD8494針對(duì)J型熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn)。AD8494和AD8495針對(duì)0°C和50°C之間的基準(zhǔn)結(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。

AD8496 （J型）和 AD8497（K型）針對(duì)25°C和100°C之間的基準(zhǔn)結(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。

經(jīng)驗(yàn)證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。