ADI實驗室電路:集成冷結補償?shù)腒型熱電偶測量系統(tǒng)

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示電路是一款完整的熱電偶信號調理電路，帶有冷結補償功能并后接一個16位∑-△型模數(shù)轉換器（ADC）。 AD8495熱電偶放大器為測量K型熱電偶溫度提供了一種簡單的低成本解決方案，且包含冷結補償功能。

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引線可能會拾取的共模噪聲。如需額外保護，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電平和共模電壓，以驅動 AD7790 16位Σ-Δ 型ADC。

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

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圖1. 集成冷結補償?shù)腒型熱電偶測量系統(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量的簡單元件。它由兩種異質金屬的連接結組成。這些金屬在一端相連，形成測量結，也稱為熱結。熱電偶的另一端連接到與測量電子裝置相連的金屬線。這種連接形成了第二個結——基準結，也稱為冷結。為了得出測量結的溫度（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結溫（TRJ）所產(chǎn)生的誤差電壓。補償基準結溫誤差電壓稱為冷結補償。為使輸出電壓精確地代表熱結測量結果，電子裝置必須補償基準（冷）結溫的任何變化。

該電路使用 AD8495熱電偶放大器，并采用單個5 V電源供電。AD8495的輸出電壓針對5 mV/°C校準。采用5 V單電源時，輸出在大約75 mV和4.75 V之間保持線性，對應于15°C至950°C的溫度范圍。AD8495的輸出驅動 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換為差分輸出，用于驅動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，如果任由其到達AD8495，它可能會被整流，表現(xiàn)為溫度波動。兩個100Ω電阻和一個1μF電容構成一個截止頻率為800Hz的差分濾波器。兩個0.01nF電容構成一個截止頻率為160 kHz的共模濾波器。AD8476差分放大器的輸出端在信號施加于AD7790 ADC之前使用了一個類似的濾波器。

AD8495輸入可保護器件不受最高超出對側供電軌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而負供電軌接地時，器件可以安全地承受-20 V至+25 V的輸入電壓?；鶞室_和檢測引腳處的電壓不得超出供電軌0.3 V以上。此特性對存在電源時序控制問題的應用特別重要，這類問題可導致信號源在施加放大器電源之前活動。

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計算得出。峰峰值（無噪聲碼）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整型10kΩ增益電阻。它是此類應用的理想之選，因為它能夠防止在AD8495上施加相對較高的阻抗負載。

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

測試結果

衡量該電路性能的一個重要指標是線性誤差量。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，要實現(xiàn)更高的精度，必須在軟件中實施一種線性校正算法。CN-0271評估軟件使用NIST熱電電壓查找表來確保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)的性能進行了比較，并顯示了對ADC輸出進行線性化校正后的結果。有關如何在軟件中實施此算法的詳情，請參見 AN-1087 應用筆記使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497時的熱電偶線性化。

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)的噪聲性能對電路的精度也很重要。圖3顯示了1，000個測量樣本的直方圖。該數(shù)據(jù)是利用連接到EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP-B）評估板的 CN-0271 評估板獲得的。有關設置詳情，請參見“電路評估與測試”部分。

測得的峰峰值噪聲約為6 LSB （1 LSB = 4.9 V ÷ 65536 = 74.8μV），對應于0.449 mV p-p和13.4位的無噪聲分辨率。

這表明轉換器并未降低無噪聲分辨率，因為從固定熱電偶輸入電壓所測分辨率而得到的無噪聲位數(shù)與根據(jù)AD8495的理論輸出噪聲而預測的無噪聲位數(shù)大致相同。

圖3. 120 Hz條件下1，000個樣本的碼字直方圖

常見變化

為了測量負溫度，需對基準引腳施加一個電壓，以偏置0°C時的輸出電壓。 AD8495 的輸出電壓為：

VOUT = （TMJ × 5 mV/°C） + VREF

通過將電路修改為采用雙電源供電，可以測量完整的K型熱電偶范圍?200°C至+1250°C。AD8495采用單電源供電時，測量低于環(huán)境溫度的溫度時會得到非線性結果，因為輸出開始發(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，請使用雙電源，或者通過對基準引腳施加合適的偏移電壓對輸出進行電平轉換。

AD8494針對J型熱電偶進行了校準。AD8494和AD8495針對0°C和50°C之間的基準結進行了優(yōu)化。

AD8496 （J型）和 AD8497（K型）針對25°C和100°C之間的基準結進行了優(yōu)化。

經(jīng)驗證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。