CN0354 集成冷結(jié)補(bǔ)償?shù)牡凸亩嗤ǖ罒犭娕紲y(cè)量系統(tǒng)

CN0354 經(jīng)驗(yàn)證，采用設(shè)計(jì)所選的器件時(shí)，CN-0354電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。 本設(shè)計(jì)也可利用 AD594/AD595實(shí)現(xiàn)，后者也是單芯片熱電偶信號(hào)調(diào)理放大器，提供10 mV/°C輸出。 AD8495 還有其它版本，如 AD8494、AD8496 和 AD8497等，它們分別適用于不同的熱電偶類型、環(huán)境溫度范圍和測(cè)量溫度范圍，如表3所示。 表3.AD849x ±2°C精度溫度范圍 器件 熱電偶類型 最大誤差 環(huán)境溫度范圍 測(cè)量溫度范圍 AD8494 J ±2°C 0°C 至 50°C -35°C 至 +95°C AD8495 K ±2°C 0°C 至 50°C -25°C 至 +400°C AD8496 J ±2°C 25°C 至 100°C 55°C 至 565°C AD8497 k ±2°C 25°C 至 100°C -25°C 至 +295°C 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： EVAL-CN0354-PMDZ 評(píng)估板 EVAL-SDP-CB1Z 系統(tǒng)演示平臺(tái) PMD-SDP-IB1Z，SDP-I-PMOD 轉(zhuǎn)接板 CN0354 評(píng)估軟件 6 V壁式電源適配器 PC(Windows 32位或64位) 軟件安裝 CN-0354評(píng)估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows? XP (SP2)、Vista (32位和64位)及Windows 7(32位和64位)。如果安裝文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。請(qǐng)先安裝評(píng)估軟件，再將評(píng)估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識(shí)別評(píng)估系統(tǒng)。利用該軟件可以對(duì)串行接口進(jìn)行全面配置。為了確保正常工作，主機(jī)和從機(jī)的配置必須匹配。 軟件操作詳見 CN-0354 軟件用戶指南。 電源要求 EVAL-CN0354-PMDZ 評(píng)估板必須采用5 V電源供電。建議電源至少提供2 mA電流。如果直接從PMD-SDP-IB1Z轉(zhuǎn)接板供電，應(yīng)確保電源經(jīng)過良好的濾波且無數(shù)字噪聲。 測(cè)試設(shè)置功能框圖 圖5顯示測(cè)試設(shè)置的功能框圖；圖6顯示EVAL-CN0354-PMDZ評(píng)估板的照片。 ? 圖5.測(cè)試設(shè)置功能框圖 ? 圖6.EVAL-CN0354-PMDZ評(píng)估板 ? 電路的4路熱電偶輸入端接于等溫模塊P2?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)模擬多路復(fù)用器 ADG1609 將4個(gè)熱電偶通道切換到單個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊，以便處理4路熱電偶輸入。該開關(guān)為先開后合式開關(guān)，具有低電荷注入特性，可使通道切換造成的瞬變最小。 等溫模塊輸出端產(chǎn)生的熱電偶電壓與測(cè)量熱電偶和等溫模塊(冷結(jié))的溫度之差成正比。 該信號(hào)由精密儀表放大器 AD8495放大，后者經(jīng)過激光調(diào)整，針對(duì)K型熱電偶可提供5 mV/°C的精密輸出。AD8495還能提供0°C到50°C范圍的冷結(jié)補(bǔ)償。 圖1還顯示了第五個(gè)熱電偶，其作用是抵消等溫模塊與AD8495冷結(jié)補(bǔ)償電路之間的溫度差所產(chǎn)生的電壓。多路復(fù)用器使能時(shí)，由等溫塊處的熱電偶連接形成的康銅(鎳鋁)—銅結(jié)與參考熱電偶連接形成的銅—康銅(鎳鋁)結(jié)串聯(lián)。由于等溫塊溫度相等，該串聯(lián)連接產(chǎn)生相等但極性相反的電壓。在此條件下，AD8495內(nèi)部冷結(jié)補(bǔ)償電路補(bǔ)償IC處的參考結(jié)，IC溫度必須保持0°C至50°C之間。因此，第五個(gè)熱電偶連接使得AD8495無需像通常情況那樣直接安裝在等溫模塊上。 AD8495的輸出由1.1 kΩ/1 nF單極點(diǎn)濾波器濾波，該濾波器的?3 dB截止頻率為145 kHz。其作用是使 AD7787 ADC輸入端的寬帶噪聲最小。 AD7787是一款24位、低噪聲、低功耗Σ-Δ型ADC，適合熱電偶測(cè)量系統(tǒng)等低頻測(cè)量應(yīng)用。它內(nèi)置時(shí)鐘，無需使用外部時(shí)鐘，輸出數(shù)據(jù)速率可由用戶配置。由于以較低的內(nèi)部時(shí)鐘頻率工作，其功耗得以降低。該Σ-Δ型ADC具有一路差分輸入和一路單端輸入，通過多路復(fù)用器之后，任一輸入都可以緩沖或不緩沖。 AD7787采用內(nèi)部時(shí)鐘工作，因此，用戶不必為其提供時(shí)鐘源。其輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設(shè)置，可在9.5 Hz至120 Hz的范圍內(nèi)變化，更新速率較低時(shí)均方根(RMS)噪聲為1.1 μV。在本電路中，AD7787以9.5 Hz的更新速率工作。內(nèi)部時(shí)鐘頻率可以使用系數(shù)2、4或8進(jìn)行分頻，從而可以降低功耗。更新速率、截止頻率和建立時(shí)間全都與時(shí)鐘頻率成比例變化。 AD7787采用2.5 V至5.25 V電源供電。工作電壓為3 V時(shí)，最大功耗為225 μW。它采用10引腳MSOP封裝。 熱電偶信號(hào)調(diào)理 熱電偶用于需要高溫度范圍的溫度測(cè)量。因?yàn)檫@個(gè)原因，并且其成本也較低，所以人們往往優(yōu)先選擇熱電偶，而不是電阻溫度檢測(cè)器(RTD)。然而，熱電偶是非線性元件，其在不同溫度產(chǎn)生的電壓以不同的速率變化。例如，J型熱電偶在25°C時(shí)變化幅度為52 μV/°C，150°C時(shí)變化幅度為55 μV/°C。K型熱電偶更傾向于線性，溫度高于0°C時(shí)變化幅度約為41 μV/°C。熱電偶對(duì)于溫度梯度的電壓響應(yīng)一般用六階以上的多項(xiàng)式來描述。 圖2顯示了不同類型的熱電偶在其工作溫度范圍內(nèi)的塞貝克系數(shù)。從圖中可看出，K型熱電偶具有最寬的溫度范圍，可測(cè)量高達(dá)1250°C的溫度。 圖2.熱電偶的塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系 ? 由于熱電偶的非線性特性，為了獲得精確的溫度讀數(shù)，需要使用復(fù)雜的信號(hào)處理和信號(hào)調(diào)理，AD8495 為此提供了理想解決方案。 AD8495經(jīng)過調(diào)整，在0°C至50°C參考結(jié)范圍提供冷結(jié)補(bǔ)償，并具有5 mV/°C的線性傳遞函數(shù)。在?25°C至+400°C的測(cè)量范圍內(nèi)，最大輸出誤差為±2°C。輸出電壓利用下式計(jì)算： AD8495采用電路中的5 V單電源供電。輸入結(jié)構(gòu)為PNP晶體管，輸入電壓可以低至?200 mV，因而可以測(cè)量負(fù)溫度。然而，為了處理負(fù)溫度，必須讓輸出電壓偏移，這是利用基準(zhǔn)電壓輸入引腳(REF)來實(shí)現(xiàn)的。 REF引腳利用P1跳線接地時(shí)，系統(tǒng)可測(cè)量的最低溫度為5°C。P1跳線還可以將REF引腳偏置電壓連接到1.2 V ADR3412基準(zhǔn)電壓源，從而測(cè)量最低?235°C的溫度。兩種情況的對(duì)應(yīng)溫度范圍參見表1。兩種情況下的溫度跨度均為 875°C。必須用基準(zhǔn)電壓源或緩沖放大器等低阻抗源驅(qū)動(dòng)REF引腳，以防出現(xiàn)誤差。 表1.采用5 V單電源時(shí)REF = 0 V和REF = 1.2 V對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍 REF引腳電壓 溫度范圍 0 V 或接地 5°C 至 880°C 1.2 V -235°C 至 +640°C 熱電偶開路檢測(cè) AD8495 可以檢測(cè)熱電偶開路或損壞情況。AD8495的輸入為PNP晶體管的基極，因此偏置電流總是流出輸入端。若有輸入開路，輸出就會(huì)變?yōu)楣╇娷壷弧Ｍㄟ^一個(gè)1 MΩ電阻將負(fù)輸入接地，將導(dǎo)致AD8495輸出在熱電偶開路情況下達(dá)到高供電軌。四個(gè)通道中若有任何通道不使用，應(yīng)將其輸入端接，防止AD8495在該通道接通時(shí)達(dá)到正供電軌。1 MΩ電阻還提供偏置電流接地回路。 AD8495具有高共模抑制性能，能夠?qū)犭娕奸L(zhǎng)引線拾取的共模噪聲降至最低。該放大器的高阻抗輸入端允許輕松添加額外的濾波措施，以便更好地消除電磁干擾和射頻干擾(EMI/RFI)。 電源考慮 圖1中的電路采用5 V單電源供電，該電源為 ADG1609、AD8495、AD7787的VDD引腳、REF194、ADR3412 和 ADM8829供電。 REF194為AD7787提供4.5 V基準(zhǔn)電壓。ADR3412為AD8495的REF輸入提供1.2 V可選偏移電壓。跳線P1可將REF引腳連接到1.2 V或地。 開關(guān)電容電壓反相器 ADM8829 提供多路復(fù)用器ADG1609所需的?5 V電壓，以支持負(fù)溫度測(cè)量。 表2列出了電路中各器件的功耗(基于數(shù)據(jù)手冊(cè)技術(shù)規(guī)格)。設(shè)計(jì)的最大功耗為1.56 mA。注意，最大功耗是由開關(guān)電容電壓反相器ADM8829引起的。若有負(fù)電源來驅(qū)動(dòng)ADG1609的VSS引腳，則可不使用該反相器，總電流將降至約556 μA。 表2.電路功耗 產(chǎn)品型號(hào) 最大功耗 AD8495 250 μA AD7787 160 μA ADG1609 1 μA REF194 45 μA ADR3412 100 μA ADM8829 1000 μA 注意，總電流為1556 μA。 測(cè)試結(jié)果 在?25°C至+400°C范圍內(nèi)，對(duì)于0°C至50°C的參考結(jié)溫度，AD8495的最大溫度誤差為±2°C(由熱電偶非線性引起)。如需更寬的溫度范圍或更高的精度，必須使用線性校正算法，這可通過軟件實(shí)現(xiàn)。關(guān)于非線性校正的討論，請(qǐng)參見AN-1087 應(yīng)用筆記“使用 AD8494/AD8495/AD8496/AD8497時(shí)的熱電偶線性化”。圖3顯示了電路使用和不使用校正算法兩種情況下的線性誤差。 圖3.使用和不使用校正算法兩種情況下的線性誤差 ? 系統(tǒng)噪聲在受控溫度環(huán)境下測(cè)試，以便檢查系統(tǒng)的無噪聲碼分辨率。圖4顯示了噪聲分布圖，涵蓋大約1098個(gè)代碼。對(duì)于24位分辨率和900°C的跨度，1 LSB = 900°C/224 = 0.07°C分辨率。 圖4.電路的噪聲分布直方圖(禁用輸入緩沖器AD7787，輸出數(shù)據(jù)速率= 9.5 Hz) ? 無噪聲碼分辨率計(jì)算如下： CN0354 集成冷結(jié)補(bǔ)償?shù)牡凸亩嗤ǖ罒犭娕紲y(cè)量系統(tǒng) 圖1所示電路是一個(gè)靈活的4通道低功耗熱電偶測(cè)量電路，總功耗小于8 mW。該電路包括一個(gè)多路復(fù)用前端，后接一個(gè)具有雷潔不長(zhǎng)冷結(jié)補(bǔ)償功能的儀表放大器，其以5 mV/°C的精確比例系數(shù)將熱電偶測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換為電壓。在?25°C至+400°C的測(cè)量范圍內(nèi)，誤差小于2°C，該誤差主要是由熱電偶非線性引起。非線性校正算法可將900°C測(cè)量范圍內(nèi)的誤差降低至0.5°C以下。無噪聲分辨率小于0.1°C。 該信號(hào)隨后由24位 Σ-Δ 型ADC數(shù)字化，數(shù)字值通過I2C串行接口提供。設(shè)計(jì)采用PMOD形式，原型開發(fā)可迅速完成，且只需要非常少的PCB面積，特別適合需要精密熱電偶溫度測(cè)量的應(yīng)用。 圖1.多通道K型熱電偶測(cè)量系統(tǒng)(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接) ? CN0354 CN0354(analog)