CN0394 帶 Arduino 兼容模擬接口的靈活、低功耗、4 通道熱電偶系統(tǒng)

CN0394 ADuCM360 內部1.2V 基準電壓源的初始精度為±0.1%。如需更高精度和更低的滿量程增益誤差，可使用ADR4525 2.5V±0.02% 基準電壓源。 本電路使用 EVAL-CN0394-ARDZ Arduino 擴展板和EVAL-ADICUP360 Arduino 平臺板。這兩片板很容易插接起來，EVAL-CN0394-ARDZ 在上方，EVAL-ADICUP360在下方。熱電偶插入 EVAL-CN0394-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USB5V電源供電。RTD傳感器已安裝到EVAL-CN0394-ARDZ 印刷電路板(PCB)上。 設備要求 需要以下設備：: USB2.0 端口和Windows?7（64位）或更高版本的PC EVAL-CN0394-ARDZ Arduino 兼容電路評估板 EVAL-ADICUP360 開發(fā)板或 Arduino 兼容平臺板 B、E、J、K、N、R、S 和 T 型熱電偶的任意組合（總共4個），或Time Electronics 1090 溫度校準器或同等 產品 ADuCM360 軟件(IDE)，參見 CN-0394 用戶指南 串行終端軟件，例如 PuTTY 或 Tera Term USB A 轉 USB 微型電纜 EVAL-CN0394-ARDZ 演示代碼（參見 CN-0394 用戶指南） 開始使用 選擇 EVAL-ADICUP360 板上的正確跳線設置。跳線設置詳見 CN-0394 用戶指南。 將EVAL-CN0394-ARDZArduino擴展板插入EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平臺板。將熱電偶傳感器連接到 EVAL-CN0394-ARDZ 板。將用戶 USB 端口連接到 PC。各通道使用 OMEGA 公司兼容式連接器連接熱電偶，這樣可以 簡化不同類型熱電偶的插拔。選擇 U 補償類型連接器，使得板上的所有通道（P1 至 P4）都能相互通用。 將項目演示代碼載入 ADuCM360 IDE，請按照 工具鏈設置用戶指南中的說明操作。 務必按照 CN-0394 用戶指南中的說明，針對 P1、P2、P3和P4上的熱電偶類型配置軟件。 程序運行時，系統(tǒng)會計算輸出數(shù)據并在終端窗口上顯示。 關于Arduino 尺寸兼容 ARM Cortex-M3 開發(fā)平臺(EVAL-ADICUP360)的信息，請參閱 EVAL-ADICUP360 用戶指南。 功能框圖 測試設置的框圖如圖 10 所示。 圖10.測試設置功能框圖（兩片板均由 PC USB 5 V 電源供電） 測試 示例代碼經編譯并加載到 EVAL-ADICUP360 上且將EVAL-CN0394-ARDZ 插接在上面之后，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 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，則會顯示警告消息。其他編程選項詳見 CN-0394 用戶指南。 11 顯示 EVAL-CN0394-ARDZ 板的實物照片。 圖 11. EVAL-CN0394-ARDZ 板照片 溫度測量簡介 熱電偶是工業(yè)應用中最常用的溫度測量傳感器之一，其成本低，堅固耐用，可重復性好，并具有很寬的工作溫度范圍和快速響應時間。熱電偶特別適合高溫測量（C 型熱電偶最高可測量 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. 包括測量端和參考端的熱電偶連接（一個通道） 一端放置在需要進行溫度測量的地方，稱為測量端(TTC)。熱電偶的另一端連接精密電壓測量系統(tǒng)，該連接稱為參考端，或者稱為冷端(CJ)。測量端 TTC和冷端 TCJ之間的溫差產生一個電壓 VTC ? VCJ,，它是由兩個端點之間的溫差引起的。產生的電壓通常為數(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。 冷端補償(CJC) 必須將熱電偶產生的電壓轉換為溫度。將測得的電壓轉換為精確的溫度是很困難的，因為熱電偶電壓很小，溫度與電壓不是線性關系，而且還必須準確測量冷端溫度。 熱電偶的總輸出電壓是由熱電偶與冷端的溫差引起的。圖2 顯示，冷端溫度使用另一種溫度敏感器件來測量，其通常是熱敏電阻、二極管、RTD 或半導體溫度傳感器。用于此電路的溫度檢測器件為 Pt1000 RTD，每個通道都有一個RTD 以保證精確測量。 圖 2 中，總熱電偶電壓 VTC – VCJ利用 ADuCM360 中的精密ADC 測量，并通過下式轉換為數(shù)字格式： 其中： VTC ? VCJ為實測熱電偶電壓。 VREF為測量所用基準電壓。對于本電路，內部 1.2 V 基準電壓用于熱電偶測量。 CODE 為 ADuCM360 ADC 數(shù)據寄存器(ADCxDAT)中的 28位字，增益為 8。 一個恒流源 IEXE（從 ADuCM360 獲得）驅動 RTD 和 1.6 kΩ精密基準電阻 R5 的串聯(lián)組合。CN-0394 電路的 IEXE 設置為620 μA，其產生的標稱VREF為1.6 kΩ × 620 μA = 0.992 V，RTD 上有 1 kΩ × 620 μA = 0.62 V 的壓降。R5 兩端的電壓用作 ADC 的基準電壓。RTD 電阻 RRTD利用下式計算： 其中： R5 為基準電阻，R5 = 1.6 kΩ。 CODE 為 ADuCM360 ADC 數(shù)據寄存器(ADCxDAT)中的 28位字，增益為 1。 在 CN-0394 電路中，熱電偶電壓和 RTD 電壓均通過ADuCM360 24 位 ADC 轉換。注意測量為比率式，不取決于基準電壓的精度或 IEXE 激勵電流的值。 RTD 電阻 RRTD 通過查找表或多項式公式轉換為冷端溫度TCJ。RTD 傳遞函數(shù)即所謂 CallenderVanDusen 公式，它由兩個不同的多項式公式組成，可提供更精確的結果，CN-0394 軟件即使用該公式。有關這些 RTD 公式的詳細說明，參見電路筆記 CN-0381。 冷端溫度 TCJ通過 ITS-90 熱電偶數(shù)據庫中的公式轉換為相應的熱電偶電壓 VCJ。CN-0394 軟件使用 ITS-90 多項式公式而非查找表來執(zhí)行此轉換。 軟件將總熱電偶電壓(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轉換為等效熱電偶溫度 TTC。 關于熱電偶原理、線性化表、公式和冷端補償，請參閱 NISTITS-90 熱電偶數(shù)據庫和 NIST 標準參考數(shù)據庫 60 2.0 版（位于 NIST 網站）。關于熱電偶和溫度測量的一般理論，請參閱《傳感器信號調理》第 7 章。 模數(shù)轉換 CN-0394 電路利用 ADuCM360 集成的雙通道 24 位 Σ-Δ 型ADC 執(zhí)行轉換。ADuCM360 內置一個輸入多路復用器，并集成一個增益選項為 1 至 128 的 PGA。ADuCM360 可配置為 6 路差分輸入或 12 路單端輸入。 ADuCM360 還提供多個濾波器選項和多種輸出數(shù)據速率，確保為用戶帶來最大的靈活性。 PGA 可將很小的熱電偶電壓放大到最適合內部 Σ-Δ ADC的水平。合理的增益設置由熱電偶信號幅度和基準電壓值決定。CN-0394 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，測量范圍約為-210°C至+1200°C，靈敏度為 55 μV/°C。 圖 3. 熱電偶輸出電壓與溫度的關系 因此，利用 ADuCM360 的集成 PGA，可以檢測熱電偶的小電壓并將其精確轉換為數(shù)字信號。 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，須考慮各類熱電偶的電壓擺幅，并且不要忘記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 1 所示。 表 1.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 采用內部 1.2 V 基準電壓且將 PGA 增益設置為 G = 8時，ADuCM360 ADC 雙極性差分輸入范圍為±125 mV。此范圍涵蓋了所有 8 類熱電偶的輸出電壓范圍，故而無需外部信號調理電路；對所有類型熱電偶，PGA 都可以使用固定增益 8。24 位分辨率支持測量信號范圍很小的熱電偶（例如 B 型），無需進行增益調整。熱電偶以差分模式連接到 ADC，負輸入連接到 ADuCM360 提供的 900 mV共模偏置電壓。 EVAL-CN0394-ARDZ 板有 4個迷你 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。冷端形成于連接器觸頭處，冷端補償 RTD 靠近連接器。 CN-0394 電路使用簡單的 2 線 RTD 連接，但 ADuCM360 包含可編程激勵電流，可用于 2 線、3 線和 4 線 RTD。關 于 3 線和 4 線應用的詳細信息，請分別參閱電路筆記CN-0381 和 電路筆記 CN-0383。 系統(tǒng)噪聲測量和結果 系統(tǒng)噪聲必須很低才能精確測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短路的通道上采集的 512個樣本的直方圖。ADuCM360 sinc3 濾波器開啟，斬波模式使能，數(shù)據速率為 50 Hz。 圖 4. 單通道的短路輸入直方圖，512 樣本，ADC Sinc3 濾波器開啟，斬波使能，50 Hz 數(shù)據速率 從直方圖可知，折合到輸入端的峰峰值噪聲為 2.51 μV。對于 125 mV 的滿量程輸入，無噪聲碼分辨率可計算如下： 系統(tǒng)熱電偶測量和結果 為了進行熱電偶系統(tǒng)測量試驗，需要知道寬溫度范圍內熱電偶溫度的準確數(shù)據。油浴法很準確，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 溫度校準器就是很有吸引力的選擇。圖 5所示為說明仿真器測試原理的框圖。 圖 5. 利用熱電偶仿真器測試熱電偶測量系統(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轉換為相應的電壓 VTC和 VCJ。再將 VCJ從 VTC中扣除，以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，仿真器并不測試系統(tǒng)冷端補償電路的精度，后者必須通過額外連接的熱電偶單獨測試。 圖 6 顯示了 E、J、K、N 和 T 型熱電偶的仿真溫度與測量溫度之間的誤差，圖 7 顯示了 B、R、S 型熱電偶的誤差。測量之前對 ADuCM360 ADC 進行了零電平和滿量程校準。 圖 6. EVAL-CN0394-ARDZ 溫度測量誤差（E、J、K、N、T 型熱電偶，使用熱電偶仿真器） 圖 7. EVAL-CN0394-ARDZ 溫度測量誤差（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 基準電壓精度(0.2%) ADC 內部校準之后剩余的系統(tǒng)失調和增益誤差（小于10 μV） ADC 非線性誤差（15 ppm FSR；FSR = 125 mV 時，其為 1.9 μV） ITS-90 公式誤差（0.001°C 至 0.06°C 不等，取決于類型和范圍） 基準電壓誤差（ADuCM360 內部基準電壓為 0.1%）引起系統(tǒng)增益誤差，在高溫時可能貢獻數(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)，對失調誤差更為敏感。 ADuCM360 非線性誤差和 ITS-90 公式誤差相對于其他誤差源均可忽略不計。 對于所有 8 種標準熱電偶的各自范圍，圖 6 和圖 7 所示的測量數(shù)據在其精度規(guī)格以內。 為實現(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)級零電平和滿量程校準。 也可以使用 ADR4525（初始精度為 0.02%）等精度更高的外部基準電壓源來使增益誤差最小。 冷端補償按如下方法進行測試：將 J 型熱電偶連接到一個 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 CN-0394 板的溫 度。選擇 J 型熱電偶的原因是其對溫度變化的靈敏度較高。 測量在 0°C、25°C 和 105°C 的冷端溫度下進行結果如圖 8所示。 圖 8. EVAL-CN0394-ARDZ 溫度測量誤差，J 型熱電偶在室溫下，冷端溫度為 0°C、25°C 和 105°C EVAL-CN0394-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-0394 設計支持包中. 系統(tǒng)設計權衡 EVAL-CN0394-ARDZ 板設計具有非常大的靈活性，支持四個獨立熱電偶輸入通道的任意組合，電路設計使用最少的額外元件。 如果在測量之前執(zhí)行系統(tǒng)級零電平和滿量程校準，則ADuCM360 中的 ADC 可提供更高的精度。 如果 ADuCM360 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 形成一個差分模式濾波器（帶寬約為800Hz），R1/C1和R2/C2形成共模濾波器（帶寬約為 16 kHz）。 利用 RTD 和熱電偶電路實現(xiàn)最優(yōu)性能的更多設計技巧，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 ADuCM360 的可選差分和共模輸入濾波器 ADuCM360 通過直接編程控制可配置為許多低功耗工作模式，包括休眠模式（內部喚醒定時器有效），此時能耗僅為4μA。在休眠模式下，諸如外部中斷或內部喚醒定時器等外設可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運行，同時仍然響應外部異步或周期事件。 CN0394 帶 Arduino 兼容模擬接口的靈活、低功耗、4 通道熱電偶系統(tǒng) CN0394: 帶 Arduino 兼容模擬接口的靈活、低功耗、 4 通道熱電偶系統(tǒng) 圖 1 所示電路是一種靈活的集成式 4 通道熱電偶測量系統(tǒng)，基于Arduino兼容 EVAL-ADICUP360 平臺, 包含 ADuCM360 低功耗精密模擬微控制器。ADuCM360 具有 ARMCortexTM-M3 處理器內核、多種外設和精密模擬功能，包括雙通道24 位 Σ-Δ 型模數(shù)轉換器(ADC)、多路復用器、可編程增益放大器(PGA)以及基準電壓源。 圖 1. 熱電偶測量系統(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 個獨立的熱電偶通道，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 個熱電偶可以按任意組合進行連接，各熱電偶通道上的電阻溫度檢測器(RTD)提供冷端補償(CJC)。無需額外的補償。采用此系統(tǒng)的熱電偶測量可覆蓋各種類型熱電偶的全部工作范圍。 該電路與 EVAL-ADICUP360 Arduino 兼容平臺對接，支持快速開發(fā)原型。利用 USB 轉 UART 接口和開源固件， EVAL-CN0394-ARDZ 和 EVAL-ADICUP360 組合可以輕松支持不同熱電偶應用。 CN0394 一種靈活的集成式 4 通道熱電偶測量系統(tǒng)，基于Arduino兼容EVAL-ADICUP360平臺，包含ADuCM360低功耗精密模擬微控制器。

• Flexible 4-channel thermocouple system
• Cold junction compensation
• Arduino-compatible interface to ADICUP360

(analog)