CN0391 帶 Arduino 兼容數(shù)字接口的靈活、低功耗、 4 通道熱電偶系統(tǒng)

CN0391 AD7124-8 有 15 路偽差分輸入或 8 路差分 ADC 輸入。如需減少通道數(shù)并降低成本，可使用 AD7124-4，其具有 7 路偽差分輸入或 4 路差分輸入。 AD7124-8 內(nèi)部 2.5 V 基準(zhǔn)電壓源的初始精度為±0.2%。如需更高精度和更低的滿量程增益誤差，可使用 ADR4525 2.5 V基準(zhǔn)電壓源，其初始精度為±0.02%。 本電路使用 EVAL-CN0391-ARDZ Arduino 擴(kuò)展板和EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平臺(tái)板。這兩片板很容易組合起來，EVAL-CN0391-ARDZ 在上方，EVAL-ADICUP360 在下方。熱電偶插入 EVAL-CN0391-ARDZ 板的 P1 至 P4 插口。 系統(tǒng)通過 EVAL-ADICUP360 板的 USB 接口連接到 PC。兩片板均由USB 5V 電源供電。RTD 傳感器已安裝到EVAL-CN0391-ARDZ 板上。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： 帶 USB 2.0 端口和 Windows? 7（64 位）或更高版本的 PC EVAL-CN0391-ARDZ Arduino 兼容電路評(píng)估板 EVAL-ADICUP360 開發(fā)板或 Arduino 兼容平臺(tái)板 B、E、J、K、N、R、S 和 T 型熱電偶的任意組合（總共4個(gè)），或 Time Electronics 1090 溫度校準(zhǔn)器或同等產(chǎn)品 ADICUP360 軟件(IDE)，參見 CN-0391 用戶指南 串行終端軟件，例如 PuTTY 或 Tera Term USB A 轉(zhuǎn) USB micro 電纜 EVAL-CN0391-ARDZ 演示代碼（參見 CN-0391 用戶指南） 開始使用 在 EVAL-CN0391-ARDZ 板和 EVAL-ADICUP360 板上選擇正確的跳線設(shè)置。跳線設(shè)置詳見 CN-0391 用戶指南。 將EVAL-CN0391-ARDZ Arduino擴(kuò)展板插入EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平臺(tái)板。將熱電偶傳感器連接到EVAL-CN0391-ARDZ 板。將用戶 USB 端口連接到 PC。各通道使用熱電偶專用連接器連接熱電偶，這樣可以簡(jiǎn)化不同類型熱電偶的插拔。選擇通用補(bǔ)償型連接器，使得板上的所有通道（P1 至 P4）都能相互通用。 將項(xiàng)目演示代碼載入 ADuCM360 IDE，請(qǐng)按照 工具鏈設(shè)置 用戶指南中的說明操作。. 務(wù)必按照 CN-0391 用戶指南中的說明，針對(duì) P1、P2、P3 和 P4 上的熱電偶類型配置軟件。 程序運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算輸出數(shù)據(jù)并在終端窗口上顯示。 關(guān)于 Arduino 尺寸兼容 ARM Cortex?-M3 開發(fā)平臺(tái)(EVAL-ADICUP360)的信息，請(qǐng)參閱 EVAL-ADICUP360 用戶指南。. 功能框圖 測(cè)試設(shè)置的框圖如圖 10 所示。 圖 10.測(cè)試設(shè)置功能框圖（兩片板均由 PC USB 5 V 電源供電） 測(cè)試 示例代碼經(jīng)編譯并加載到 EVAL-ADICUP360 上且將EVAL-CN0391-ARDZ 安裝在上面之后，器件與 PC 通信，連續(xù)更新并顯示各通道的下列信息： 通道數(shù)和熱電偶類型 RTD 電阻 線性化 RTD 溫度（冷端溫度）J 線性化熱電偶溫度 如果所選熱電偶的最終線性化溫度超出 ITS-90 公式定義的范圍，則會(huì)顯示警告消息。其他編程選項(xiàng)詳見 CN-0391 用戶指南。 圖 11 顯示 EVAL-CN0391-ARDZ 板的實(shí)物照片。 圖 11 .EVAL-CN0391-ARDZ 板照片 溫度測(cè)量簡(jiǎn)介 熱電偶是工業(yè)應(yīng)用中最常用的溫度測(cè)量傳感器之一，其成本低，堅(jiān)固耐用，可重復(fù)性好，并具有很寬的工作溫度范圍和快速響應(yīng)時(shí)間。熱電偶特別適合高溫測(cè)量（C 型熱電偶最高可測(cè)量 2300°C 的溫度）。 熱電偶由兩條不同金屬線連接而成，如圖 2 所示。 圖 2.包括測(cè)量端和參考端的熱電偶連接（一個(gè)通道） 一端放置在需要進(jìn)行溫度測(cè)量的地方，稱為測(cè)量端(TTC)。熱電偶的另一端連接精密電壓測(cè)量系統(tǒng)，該連接稱為參考端，或者稱為冷端(CJ)。測(cè)量端 TTC和冷端 TCJ之間的溫差產(chǎn)生一個(gè)熱致電壓 VTC ? VCJ ，其值與兩個(gè)端點(diǎn)之間的溫差成比例。產(chǎn)生的電壓通常為數(shù)微伏至數(shù)十毫伏不等，具體取決于溫度差值和熱電偶類型。 冷端補(bǔ)償(CJC) 必須將熱電偶產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換為溫度。將測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換為精確的溫度是很困難的，因?yàn)闊犭娕茧妷汉苄?，溫度與電壓不是線性關(guān)系，而且還必須準(zhǔn)確測(cè)量冷端溫度。 熱電偶輸出電壓代表熱電偶與冷端的溫差。圖 2 顯示，冷端溫度使用另一種溫度敏感器件來測(cè)量，其通常是熱敏電阻、二極管、RTD 或半導(dǎo)體溫度傳感器。用于此電路的溫度檢測(cè)器件為 Pt1000 RTD，四個(gè)通道中的每個(gè)通道都有一個(gè) RTD 以保證精確測(cè)量。 圖2 中，總熱電偶電壓 VTC – VCJ利用精密 ADC 測(cè)量，并通 過下式轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式： 其中： VTC ? VCJ 為實(shí)測(cè)熱電偶電壓。 CODE 為 ADC 碼。 N 為 ADC 分辨率，N = 24。 VREF 為測(cè)量所用基準(zhǔn)電壓。對(duì)于本電路，內(nèi)部 2.5 V 基準(zhǔn)電壓用于熱電偶測(cè)量。 G 為針對(duì) TC 模式選擇的增益，G = 32。 ADC 工作在雙極性差分模式。 一個(gè)恒流源 IOUT（從 AD7124-8 ADC 獲得）驅(qū)動(dòng) RTD 和1.6 kΩ 精密基準(zhǔn)電阻 R5的串聯(lián)組合。CN-0391電路的 IOUT 設(shè)置為750μA，其產(chǎn)生的標(biāo)稱 VREF為 1.6 kΩ × 750 μA = 1.2V，RTD 上有 1 kΩ × 750 μA = 0.75 V 的壓降。R5 兩端的電壓用作 ADC 的基準(zhǔn)電壓。對(duì)于雙極性差分輸入模式，RTD電阻 RRTD利用下式計(jì)算； 其中： CODE 為 ADC 碼。 N 為 ADC 分辨率，N = 24。 R5 為基準(zhǔn)電阻，R5 = 1.6 kΩ. G 為針對(duì) RTD 模式選擇的增益，G = 1. 在 CN-0391 電路中，熱電偶電壓和 RTD 電壓均通過AD7124-8 多通道 24 位 ADC 轉(zhuǎn)換。注意測(cè)量為比率式，不取決于基準(zhǔn)電壓的精度或 IOUT 激勵(lì)電流的值。 RTD 電阻 RRTD通過查找表或多項(xiàng)式公式轉(zhuǎn)換為冷端溫度 TCJ, RTD 傳遞函數(shù)即所謂 Callender-Van Dusen 公式，它由兩個(gè)不同的多項(xiàng)式公式組成，可提供更精確的結(jié)果， CN-0391 軟件即使用該公式。有關(guān)這些 RTD 公式的詳細(xì)說 明，參見電路筆記 CN-0381。 冷端溫度 TCJ通過 ITS-90 熱電偶數(shù)據(jù)庫中的公式轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的熱電偶電壓 VCJ。CN-0391 軟件使用 ITS-90 多項(xiàng)式公式而非查找表來執(zhí)行此轉(zhuǎn)換。 軟件將熱電偶電壓 (VTC? VCJ) 與冷端 VCJ相加以獲得熱電偶EMF VTC. 然后利用 ITS-90 逆公式將熱電偶 EMF VTC轉(zhuǎn)換為等效熱電偶溫度 TTC. 關(guān)于熱電偶原理、線性化表、公式和冷端補(bǔ)償，請(qǐng)參閱 NISTITS-90 熱電偶數(shù)據(jù)庫和 NIST 標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)庫 60 2.0 版（位于 NIST 網(wǎng)站）。關(guān)于熱電偶和溫度測(cè)量的一般理論，請(qǐng)參閱 《傳感器信號(hào)調(diào)理》第 7 章。. 模數(shù)轉(zhuǎn)換 CN-0391 電路采用多通道 24 位 Σ-Δ 型 ADC AD7124-8。AD7124-8 內(nèi)置一個(gè)輸入多路復(fù)用器，并集成一個(gè)增益選項(xiàng)為 1 至 128 的可編程增益放大器(PGA)。AD7124-8 可配置為 8 路差分輸入或 15 路偽差分輸入。 AD7124-8 的主要優(yōu)勢(shì)之一是用戶可靈活使用三種功率模式。功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可通過所選功率模式進(jìn)行定制。該器件還提供多個(gè)濾波器選項(xiàng)，確保為用戶帶來最大的靈活性。 內(nèi)部 PGA 可將很小的熱電偶電壓放大到最適合內(nèi)部 Σ-ΔADC 的水平。適當(dāng)?shù)脑鲆嬖O(shè)置由熱電偶信號(hào)幅度和基準(zhǔn)電壓值決定。 CN-0391 軟件支持 8 類熱電偶：B、E、J、K、N、R、S 和T 型。 不同熱電偶具有不同的范圍和靈敏度，如圖 3 所示。例如，J 型熱電偶由鐵和康銅連接而成，測(cè)量范圍約為-210°C 至+1200°C，0°C 時(shí)的靈敏度為 50 μV/℃。靈敏度也稱為賽貝克系數(shù)，與熱電偶溫度呈函數(shù)關(guān)系。8 類熱電偶的范圍和賽貝克系數(shù)參見表 1。 圖 3. 熱電偶輸出電壓與溫度的關(guān)系 表1. 各類熱電偶的范圍和賽貝克系數(shù)以及ITS-90公式范圍 類型 ITS-90 公式范圍(°C) 賽貝克系數(shù) (0°C, μV/°C) 賽貝克系數(shù) (400°C, μV/°C) E ?200 至 +1000 59 80 J ?210 至 +1200 50 55 K ?200 至 +1372 39 42 N ?200 至 +1300 26 37 T ?50 至 +400 39 62 R ?50 至 +1768 5 10 S ?50 至 +1768 5 10 B 250 至 1820 3 ( 250°C時(shí)) 4 利用 AD7124-8 的集成 PGA，可以輕松檢測(cè)熱電偶的小電壓并將其精確轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 冷端溫度范圍是 0°C 至 50°C；為確定最大和最小輸出電壓范圍，須檢查各類熱電偶的電壓擺幅，并且納入從熱電偶電壓減去的冷端電壓分量。E 型熱電偶需要的范圍最寬，如表 2 所示。 表 2. 熱電偶最大電壓擺幅（E 型） 輸出 熱端 冷端 電壓 最大值 1000°C 0°C 76.4mV 最小值 ?270°C 50°C ?12.88mV 使用內(nèi)部 2.5 V 基準(zhǔn)電壓時(shí)，AD7124-8 ADC 雙極性輸入范圍是?50 mV 至 VREF/G。VREF = 2.5 V 且 PGA 增益設(shè)置為 G =32 時(shí)，雙極性 ADC 輸入范圍是?50 mV 至 78.125 mV。此范圍涵蓋了所有 8 類熱電偶的輸出電壓范圍，故而無需外 部信號(hào)調(diào)理電路；對(duì)所有類型熱電偶，PGA 都可以使用固定增益 32。24位分辨率支持測(cè)量信號(hào)范圍很小的熱電偶（例 如 B 型），無需進(jìn)行增益調(diào)整。熱電偶以單端模式連接到ADC，負(fù)輸入連接到 GND 以降低傳感器噪聲 EVAL-CN0391-ARDZ 板有 4個(gè)迷你 U型插口熱電偶連接器(Omega PCC-SMP-U-100)，用于連接熱電偶連接器。冷端位于連接器觸頭處，CJC RTD 靠近連接器。 CN-0391 電路使用簡(jiǎn)單的 2 線 RTD 連接，但 AD7124-8 包含匹配的可編程激勵(lì)電流，可用于 2 線、3 線和 4 線 RTD。關(guān)于 3 線和 4 線應(yīng)用的詳細(xì)信息，請(qǐng)分別參閱 閱電路筆記 CN-0381 和 電路筆記 CN-0383。 系統(tǒng)噪聲測(cè)量和結(jié)果 系統(tǒng)噪聲必須很低才能精確測(cè)量熱電偶輸出的微小電壓。圖 4 所示為熱電偶連接器在一個(gè)通道上短路時(shí)采集的 256個(gè)樣本的直方圖。AD7124-8 sinc3 濾波器開啟，數(shù)據(jù)速率為 50 Hz。 圖 4. 單通道的短路輸入直方圖，256 樣本，ADC Sinc3 濾波器開啟，50 Hz 數(shù)據(jù)速率 從直方圖可知，折合到輸入端的峰峰值噪聲為 978 nV。對(duì)于 78 mV 的滿量程輸入，無噪聲碼分辨率可計(jì)算如下： 系統(tǒng)熱電偶測(cè)量和結(jié)果 為了進(jìn)行熱電偶系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)，需要知道寬溫度范圍內(nèi)熱電偶溫度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。油浴法很準(zhǔn)確，但其溫度范圍有限，而且穩(wěn)定過程很慢。 精確的熱電偶仿真器可以代替油浴法 ， 比 如 TimeElectronics 1090 溫度校準(zhǔn)器就是很有吸引力的選擇。圖 5所示為說明仿真器測(cè)試原理的框圖。 圖 5. 利用熱電偶仿真器測(cè)試熱電偶測(cè)量系統(tǒng) 該仿真器允許用戶輸入熱電偶類型和溫度以及冷端溫度。然后，仿真器利用 ITS-90 表和公式將熱電偶溫度 TTC和冷端溫度 TCJ轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓 VTC和 VCJ。再將 VCJ從 VTC中扣除，便得到仿真器輸出電壓VTC – VCJ. 仿真器的整體精度取決于熱電偶類型和溫度，典型值介于0.5°C 和 2°C 之間。 注意，仿真器并不測(cè)試系統(tǒng)冷端補(bǔ)償電路的精度，后者必須通過實(shí)際連接的熱電偶單獨(dú)測(cè)試。 圖6 顯示了 E、J、K、N 和 T 型熱電偶的仿真溫度與測(cè)量溫度之間的誤差，圖 7 顯示了 B、R、S 型熱電偶的誤差。測(cè)量之前對(duì) AD7124-8 ADC 進(jìn)行了零電平和滿量程內(nèi)部校準(zhǔn)。 圖 6.EVAL-CN0391-ARDZ 溫度測(cè)量誤差（E、J、K、N、T 型熱電偶，使用熱電偶仿真器） 圖 7.EVAL-CN0391-ARDZ 溫度測(cè)量誤差（B、R、S 型熱電偶，使用熱電偶仿真器） 圖 6 和圖 7 所示誤差是以下誤差源之和： 仿真器誤差（0.15°C 至 3°C，取決于類型和范圍） ADC 基準(zhǔn)電壓精度(0.2%) ADC 內(nèi)部校準(zhǔn)之后剩余的系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差（小于 10μV） ADC 非線性誤差（15 ppm FSR；FSR = 78 mV 時(shí)，其為1.2 μV） ITS-90 公式誤差（0.001°C 至 0.06°C 不等，取決于類型和范圍） 基準(zhǔn)電壓誤差（針對(duì) AD7124-8 內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源為 0.2%）引起系統(tǒng)增益誤差，在高溫時(shí)可能貢獻(xiàn)數(shù)攝氏度的誤差。 B、R、S 型熱電偶具有較小的賽貝克系數(shù)，對(duì)失調(diào)誤差更為敏感。 AD7124-8 非線性誤差和 ITS-90 公式誤差相對(duì)于其他誤差源均可忽略不計(jì)。 對(duì)于所有 8 種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的各自范圍，圖 6 和圖 7 所示的測(cè)量數(shù)據(jù)在其精度規(guī)格以內(nèi)。 為實(shí)現(xiàn)最高精度，尤其是 B、R、S 型熱電偶，必須利用精密外部電壓源執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)零電平和滿量程校準(zhǔn)。 也可以使用 ADR4525（初始精度為 0.02%）等精度更高的外部基準(zhǔn)電壓源來使增益誤差最小。 冷端補(bǔ)償按如下方法進(jìn)行測(cè)試：將 J 型熱電偶連接到一個(gè)通道，熱電偶維持在環(huán)境溫度，在 ThermoStream 或Thermonics 溫度控制器的控制下循環(huán)改變EVAL-CN0391-ARDZ 板的溫度。選擇 J 型熱電偶的原因是其對(duì)溫度變化的靈敏度相對(duì)較高（25°C 時(shí)為 52 μV/°C）。 在 0°C、25°C 和 105°C 的冷端溫度下進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果如圖 8所示。 圖 8.EVAL-CN0391-ARDZ 溫度測(cè)量誤差，J 型熱電偶在室溫下，冷端溫度為 0°C、25°C 和 105°C EVAL-CN0391-ARDZ 硬件的完整文檔，包括原理圖、布局文件、Gerber 文件和物料清單，位于 CN-0391 設(shè)計(jì)支持包中。. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)權(quán)衡 EVAL-CN0391-ARDZ 板設(shè)計(jì)具有非常大的靈活性，支持四個(gè)獨(dú)立熱電偶輸入通道的任意組合，電路設(shè)計(jì)使用最少的額外元件。 如果在測(cè)量之前執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)零電平和滿量程校準(zhǔn)，則AD7124-8 ADC 可提供更高的精度。 如果 AD7124-8 輸入配置為差分工作模式，并且為各通道增加輸入抗混疊濾波器，則還能改善噪聲性能。典型濾波器配置如圖 9 所示，其中 R1 + R2 和 C3 形成一個(gè)差分模式濾波器（帶寬約為 800 Hz），R1/C1 和 R2/C2 形成共模濾波器（帶寬約為 16 kHz）。 利用 AD7124-8 ADC 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能的更多設(shè)計(jì)技巧參見 電路筆記 CN-0381, 電路筆記 CN-0383和 電路筆記 CN-0384. 圖 9.適用于 AD7124-8 的可選差分和共模輸入濾波器 AD7124-8 的另一主要優(yōu)勢(shì)是用戶可靈活使用三種功率模式。功耗、輸出數(shù)據(jù)速率范圍和均方根噪聲可通過所選功 率模式進(jìn)行定制。該器件還提供多個(gè)濾波器選項(xiàng)，確保為用戶帶來最大的靈活性。 CN0391 帶 Arduino 兼容數(shù)字接口的靈活、低功耗、 4 通道熱電偶系統(tǒng) 圖 1 所示電路是一個(gè)靈活的集成式 4 通道熱電偶測(cè)量系統(tǒng)，基于低功耗、低噪聲、精密 24 位 Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) AD7124-8 圖 1. 熱電偶測(cè)量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦） 該電路最多可支持 4 個(gè)獨(dú)立的熱電偶通道，軟件線性化算法支持 8 種不同類型的熱電偶（B、E、J、K、N、R、S 和T）。4 個(gè)熱電偶可以按任意組合進(jìn)行連接，各熱電偶通道上的電阻溫度檢測(cè)器(RTD)提供冷端補(bǔ)償(CJC)。無需額外的補(bǔ)償。采用此系統(tǒng)的熱電偶測(cè)量范圍可覆蓋各種類型熱電偶的全部工作范圍。 該電路有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(SPI)連接，可連接到Arduino 兼容平臺(tái)以快速開發(fā)原型。利用 USB 轉(zhuǎn) UART 接口和開源固件，EVAL-CN0391-ARDZ 可以輕松支持不同熱電偶應(yīng)用。 CN0391 帶 Arduino 兼容數(shù)字接口的靈活、低功耗、 4 通道熱電偶系統(tǒng) 一個(gè)靈活的集成式 4 通道熱電偶測(cè)量系統(tǒng)，基于低功耗、低噪聲、精密 24 位 Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)AD7124-8。

• 靈活的4通道熱電偶系統(tǒng)
• 冷結(jié)補(bǔ)償
• 24位數(shù)字化
• 低功耗
• 尺寸兼容Arduino

(analog)