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熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的簡單元件，是工業(yè)應(yīng)用中最常用的溫度測量傳感器之一，具有成本低、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，尤其適合高溫測量，例如C型熱電偶最高可測量2300℃的溫度，適用于如鍋爐、熱水器、烤箱和風(fēng)機(jī)引擎等。

圖1：包括測量結(jié)和參考結(jié)的熱電偶連接

(資料圖片)

熱電偶一端放置在需要進(jìn)行溫度測量的地方，稱為測量結(jié)。熱電偶的另一端連接精密電壓測量單元，該連接稱為參考結(jié)，或者稱為冷結(jié)。測量結(jié)和冷結(jié)之間的溫差產(chǎn)生一個電壓，其值與兩個結(jié)點(diǎn)之間的溫差成比例。該溫差產(chǎn)生的信號通常為數(shù)微伏至數(shù)十毫伏不等，具體取決于溫度差值。本文簡單介紹了利用熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中常見的挑戰(zhàn)，并提出基于ADI公司的信號調(diào)理解決方案的熱電偶電路設(shè)計(jì)。

良好的測溫電路需要解決這些挑戰(zhàn)

與眾多傳感信號檢測電路設(shè)計(jì)一樣，將熱電偶產(chǎn)生的電壓變換成精確的溫度讀數(shù)面臨諸多挑戰(zhàn)，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)確測量冷結(jié)溫度。

電壓信號太弱:最常見的熱電偶類型有J、K和T型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級。

因?yàn)殡妷盒盘栁⑷?，信號調(diào)理電路一般需要約100左右的增益，盡管這本身并不具備挑戰(zhàn)性，但更棘手的事情是如何識別實(shí)際信號和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長，經(jīng)常穿過電氣噪聲密集環(huán)境。引線上的噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號。

一般結(jié)合兩種方案來從噪聲中提取信號。第一種方案使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來放大信號。因?yàn)榇蠖鄶?shù)噪聲同時(shí)出現(xiàn)在兩根線上(共模)，差分測量可將其消除。第二種方案是低通濾波，消除帶外噪聲。低通濾波器應(yīng)同時(shí)消除可能引起放大器整流的射頻干擾（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz(電源)工頻干擾。在放大器前面放置一個射頻干擾濾波器（或使用帶濾波輸入的放大器）十分重要。50Hz/60Hz濾波器的位置無關(guān)緊要—它可以與RFI濾波器組合放在放大器和ADC之間，作為∑-Δ ADC濾波器的一部分，或可作為均值濾波器在軟件內(nèi)編程。

電壓信號非線性是需要解決的另外一個挑戰(zhàn)。熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度而變化。例如，在0°C時(shí)，T型熱電偶輸出按39 μV/°C變化，但在100°C時(shí)斜率增加至47 μV/°C。

有三種常見的方法來對熱電偶的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。選擇曲線相對較平緩的一部分并在此區(qū)域內(nèi)將斜率近似為線性，這是一種特別適合于有限溫度范圍內(nèi)測量的方案，這種方案不需要復(fù)雜的計(jì)算。K和J型熱電偶比較受歡迎的諸多原因之一是它們同時(shí)在較大的溫度范圍內(nèi)靈敏度的遞增斜率（塞貝克系數(shù)）保持相當(dāng)恒定。

第二種方法是將查找表存儲在內(nèi)存中，查找表中每一組熱電偶電壓與其對應(yīng)的溫度相匹配。然后，使用表中兩個最近點(diǎn)間的線性插值來獲得其它溫度值。第三種方案使用高階等式來對熱電偶的特性進(jìn)行建模。這種方法雖然最精確，但計(jì)算量也最大。每種熱電偶有兩組等式。一組將溫度轉(zhuǎn)換為熱電偶電壓（適用于參考接合點(diǎn)補(bǔ)償）。另一組將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度。

熱電偶電路設(shè)計(jì)還可能遇到有其他挑戰(zhàn)，例如如何盡可能精確地讀取參考接合點(diǎn)—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點(diǎn)相同的溫度，任何讀取參考接合點(diǎn)溫度的誤差都會直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中。此外，設(shè)計(jì)熱電偶信號調(diào)理時(shí)應(yīng)在測量接地?zé)犭娕紩r(shí)避免接地回路，還要在測量絕緣熱電偶時(shí)具有一條放大器輸入偏壓電流路徑。這里不再贅述。

基于24位Σ-Δ型ADC的全集成式熱電偶測量系統(tǒng)

圖2.AD7124-4/AD7124-8熱電偶測量配置，包括RTD冷結(jié)補(bǔ)償

T型熱電偶的靈敏度約為40μV/℃，是工業(yè)測溫應(yīng)用中常見的溫度傳感器，可測量?200℃至+400℃的溫度，輸出范圍約?8.6 mV至+17.2 mV。圖2所示電路采用T型熱電偶，利用AD7124-8的集成PGA，可以輕松檢測熱電偶的小電壓并將其精確轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在一個較小范圍（0℃至60℃）內(nèi)，熱電偶響應(yīng)接近線性。

為了在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確測量，必須對實(shí)測值應(yīng)用線性化處理，確保獲得準(zhǔn)確的溫度值。此外，對于信號鏈而言，重要的是對熱電偶保持較高的阻抗和較低的漏電流，以便實(shí)現(xiàn)最高精度。

AD7124-8提供集成式熱電偶測量解決方案，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、低非線性度誤差和低噪聲性能，以及極高的50 Hz/60 Hz抑制能力。該器件片內(nèi)集成低噪聲PGA，可放大熱電偶的小信號，增益編程范圍為1到128，因而可以直接與傳感器接口。增益級具有高輸入阻抗，輸入漏電流在全功率模式下不超過3.3 nA，在低功耗模式下為1 nA（典型值）。下面說明基于AD7124-8開發(fā)熱電偶溫度測量系統(tǒng)所用的不同元件，例如電源、外設(shè)接口等。

AD7124-8具有單獨(dú)的模擬電源和數(shù)字電源。數(shù)字電源IOVDD獨(dú)立于模擬電源，可以為1.65 V至3.6 V范圍內(nèi)的值（以DGND為基準(zhǔn)）。模擬電源AVDD以AVSS 為基準(zhǔn)，范圍是2.7 V到3.6 V（低功耗模式和中功率模式）或2.9 V至3.6 V（全功率模式）。圖2所示電路采用單電源供電，因此AVSS與DGND相連，僅使用一個接地層。AVDD和IOVDD電壓利用低壓差穩(wěn)壓器ADP1720分別產(chǎn)生。AVDD電壓設(shè)置為3.3 V，IOVDD電壓設(shè)置為1.8 V，采用ADP1720穩(wěn)壓器。使用單獨(dú)的穩(wěn)壓器可確保噪聲最低。

AD7124-8可配置為8個差分或15個偽差分輸入通道。AD7124-8的片內(nèi)診斷功能可用來檢查模擬引腳上的電平是否在額定工作范圍以內(nèi)。正(AINP)和負(fù)(AINM)模擬輸入可以單獨(dú)檢查是否發(fā)生過壓和欠壓，以及ADC是否飽和。當(dāng)模擬輸入上的電壓超過AVDDSS時(shí)，欠壓標(biāo)志就會置1。對于圖2所示電路，使用兩個模擬輸入引腳來連接熱電偶（AIN2、AIN3），需要三個模擬引腳來進(jìn)行冷結(jié)補(bǔ)償（AIN1、AIN6、AIN7）。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于測量熱電偶產(chǎn)生的電壓。對于本電路，如圖2所示，熱電偶是浮空的。要將熱電偶偏置到已知電平，AIN2上使能VBIAS電壓發(fā)生器。

熱電偶測量是絕對測量，因而需要一個基準(zhǔn)電壓源，使用AD7124-8內(nèi)置2.5 V基準(zhǔn)電壓源。針對冷結(jié)補(bǔ)償，一個激勵電流源用于激勵RTD。此電流從AVDD產(chǎn)生，流向AIN1。對于本電路，冷結(jié)電路采用基準(zhǔn)輸入REFIN1(±)。流經(jīng)4線RTD（用于冷結(jié)測量）的電流也會流過精密基準(zhǔn)電阻，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。此精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動會被消除。

另外值得一提的是濾波器。為了抑制調(diào)制器頻率及其倍數(shù)處的干擾，必須使用這種濾波。差分濾波器（截止頻率約為800 Hz）和共模濾波器（截止頻率約為16 kHz）在模擬輸入端和基準(zhǔn)輸入端實(shí)現(xiàn)。AD7124-4/AD7124-8在片內(nèi)數(shù)字濾波方面擁有很大的靈活性。有多種濾波器選項(xiàng)可用，所選的濾波器會影響輸出數(shù)據(jù)速率、建立時(shí)間和50 Hz/60 Hz抑制性能。圖2中電路可以實(shí)現(xiàn)sinc4濾波器和后置濾波器，在整個輸出數(shù)據(jù)速率范圍內(nèi)具有出色的噪聲性能，另外還有出色的50 Hz/60 Hz抑制性能。后置濾波器用于提供50 Hz和60 Hz同時(shí)抑制，建立時(shí)間為40 ms。

本文小結(jié)

熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價(jià)比測量寬溫度范圍的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，熱電偶在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的溫度測量，本文提出基于AD7124-8/AD7124-4）解決這些問題的方案，AD7124-8是一款適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端。該器件內(nèi)置一個低噪聲24位Σ-Δ型ADC，可配置為提供8個差分輸入或15個單端或偽差分輸入。該方案具有低功耗、精密的全集成優(yōu)勢，是一款高性價(jià)比方案。

編輯：黃飛