電路功能與優(yōu)勢(shì)

　　圖1中的電路在功能上可提供高精度、多通道的熱電偶測(cè)量解決方案。精確的熱電偶測(cè)量要求采用精密元件組成信號(hào)鏈，該信號(hào)鏈應(yīng)當(dāng)能夠放大微弱的熱電偶電壓、降低噪聲、校正非線性度并提供精確的基準(zhǔn)結(jié)補(bǔ)償（通常稱為冷結(jié)補(bǔ)償）。本電路可解決熱電偶溫度測(cè)量的全部這些難題，并具有±0.25°C以上的精度。

　　圖1中的電路顯示將3個(gè)K型熱電偶連接至AD7793 精密24位 Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以測(cè)量熱電偶電壓。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對(duì)式溫度測(cè)量器件，必須知道基準(zhǔn)結(jié)溫才能獲得精確的絕對(duì)溫度讀數(shù)。這一過(guò)程被稱為基準(zhǔn)結(jié)補(bǔ)償，通常稱為冷結(jié)補(bǔ)償。本電路中ADT7320 精密16位數(shù)字溫度傳感器用于冷結(jié)基準(zhǔn)測(cè)量，并提供所需的精度。

　　對(duì)于需要在熱電偶提供的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高性價(jià)比的精確溫度測(cè)量而言，這類應(yīng)用非常受歡迎。

　　圖1. 多通道熱電偶測(cè)量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
　　電路描述

　　圖1中的電路專為使用 ADT7320同時(shí)測(cè)量3個(gè)K型熱電偶而設(shè)計(jì)，該器件是一款±0.25°C精度、16位數(shù)字SPI溫度傳感器。

　　熱電偶電壓測(cè)量

　　采用熱電偶連接器和濾波器作為熱電偶與AD7793 ADC之間的接口。每個(gè)連接器（J1、J2和J3）都直接與一組差分ADC輸入相連。AD7793輸入端的濾波器可在信號(hào)到達(dá)ADC的AIN （+）和AIN（?）輸入端之前降低任何熱電偶引腳上疊加的噪聲。AD7793集成片內(nèi)多路復(fù)用器、緩沖器和儀表放大器，可放大來(lái)自熱電偶測(cè)量結(jié)點(diǎn)的小電壓信號(hào)。

　　冷結(jié)測(cè)量

　　ADT7320精密16位數(shù)字溫度傳感器用于測(cè)量基準(zhǔn)結(jié)（冷結(jié)） 溫度，其精度在?20°C至+105°C溫度范圍內(nèi)可達(dá)±0.25°C。 ADT7320完全經(jīng)過(guò)工廠校準(zhǔn)，用戶無(wú)需自行校準(zhǔn)。它內(nèi)置一個(gè)帶隙溫度基準(zhǔn)源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)16位Σ-Δ型 ADC， 用來(lái)測(cè)量溫度并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換， 分辨率為 0.0078°C。

　　AD7793和ADT7320均利用系統(tǒng)演示平臺(tái) （EVAL-SDP-CB1Z）由SPI接口控制。此外，這兩個(gè)器件也可由微控制器控制。

　　圖2. EVAL-CN0172-SDPZ電路評(píng)估板

　　圖2顯示帶有3個(gè)K型熱電偶連接器的EVAL-CN0172-SDPZ 電路評(píng)估板，AD7793 ADC， 和ADT7320溫度傳感器安裝在獨(dú)立柔性印刷電路板（PCB）的兩塊銅觸點(diǎn)之間，用于基準(zhǔn)溫度測(cè)量。

　　圖3是安裝在獨(dú)立柔性PCB上ADT7320 的側(cè)視圖，該器件插在熱電偶連接器的兩個(gè)銅觸點(diǎn)之間。圖3中的柔性PCB更薄更靈活，比小型FR4類PCB更具優(yōu)勢(shì)。它允許將ADT7320巧妙地安裝在熱電偶連接器的銅觸點(diǎn)之間，以盡量降低基準(zhǔn)結(jié)和ADT7320之間的溫度梯度。

　　圖3. 安裝在柔性PCB上ADT7320的側(cè)視圖

　　小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應(yīng)基準(zhǔn)結(jié)的溫度變化。 圖4顯示ADT7320的典型熱響應(yīng)時(shí)間。

　　圖4.ADT7320典型熱響應(yīng)時(shí)間

　　本解決方案較為靈活，允許使用其它類型的熱電偶，如J型或T型。本電路筆記中，選擇K型是考慮到其更受歡迎。實(shí)際選用的熱電偶具有裸露尖端。測(cè)量結(jié)位于探頭壁（probe wall）之外，暴露在目標(biāo)介質(zhì)中。

　　采用裸露尖端的優(yōu)勢(shì)在于，它能提供最佳的熱傳導(dǎo)率、具有最快的響應(yīng)時(shí)間，并且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機(jī)械損壞和腐蝕的影響。因此，不適合用于惡劣環(huán)境。但在需要快速響應(yīng)時(shí)間的場(chǎng)合下，裸露尖端是最佳選擇。若在工業(yè)環(huán)境中使用裸露尖端，則可能需對(duì)信號(hào)鏈進(jìn)行電氣隔離?？墒褂脭?shù)字隔離器達(dá)到這一目的 （見(jiàn)www.analog.com/icoupler）。

　　不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）， ADT7320是一款完全即插即用型解決方案，無(wú)需在電路板裝配后進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)，也不會(huì)因校準(zhǔn)系數(shù)或線性化程序而消耗處理器或內(nèi)存資源。它在3.3 V電源下工作時(shí)的典型功耗僅為700μW，避免了會(huì)降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問(wèn)題。

　　精密溫度測(cè)量指南

　　下列指南可確保ADT7320精確地測(cè)量基準(zhǔn)結(jié)溫度。

　　電源： 如果ADT7320 從開(kāi)關(guān)電源供電，可能產(chǎn)生50 kHz以上的噪聲，從而影響溫度精度。為了防止此缺陷，應(yīng)在電源和VDD. 之間使用RC濾波器。所用元件值應(yīng)仔細(xì)考慮，確保電源噪聲峰值小于1 mV

　　去耦： ADT7320必須在盡可能靠近 VDD 的地方安裝去耦電容，以確保溫度測(cè)量的精度。推薦使用諸如0.1μF高頻陶瓷類型的去耦電容。此外，還應(yīng)使用一個(gè)低頻去耦電容與高頻陶瓷電容并聯(lián)，如10μF 至 50 μF 鉭電容。

　　最大熱傳導(dǎo)： 塑料封裝和背面的裸露焊盤(pán)（GND）是基準(zhǔn)結(jié)至ADT7320的主要熱傳導(dǎo)路徑。由于銅觸點(diǎn)與ADC輸入相連，本應(yīng)用中無(wú)法連接背面的焊盤(pán)，因?yàn)檫@樣做會(huì)影響 ADC輸入的偏置。

　　精密電壓測(cè)量指南

　　下列指南可確保AD7793精確地測(cè)量熱電偶測(cè)量結(jié)電壓。

　　去耦：AD7793必須在盡可能靠近AVDD 和 DVDD 的地方安裝去耦電容，以確保電壓測(cè)量的精度。應(yīng)將0.1 μF陶瓷電容與 10 μF鉭電容并聯(lián)，將AVDD去耦到GND。此外，應(yīng)將0.1 μF 陶瓷電容與10 μF鉭電容并聯(lián)，將DVDD去耦到GND。 更多有關(guān)接地、布局和去耦技巧的討論，請(qǐng)參考Tutorial MT-031 和 Tutorial MT-101

　　濾波：AD7793的差分輸入用于消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲。例如，將組成差分低通濾波器的R1、R2和C3放置在AD7793的前端，可消除熱電偶引腳上可能存在的疊加噪聲。C1和C2電容提供額外的共模濾波。由于輸入ADC 的AIN（+）和AIN（?）均為模擬差分輸入，因此，模擬調(diào)制器中的多數(shù)電壓均為共模電壓。AD7793的出色共模抑制（100 dB最小值）進(jìn)一步消除了這些輸入信號(hào)中的共模噪聲。

　　本方案解決的其它難題

　　下文總結(jié)了本解決方案是如何解決前文提到的其它熱電偶相關(guān)難題。

　　熱電偶電壓放大：熱電偶輸出電壓隨溫度的變化幅度只有每度幾μV。本例中所用的常見(jiàn)K型熱電偶變化幅度為41μV/°C。這種微弱的信號(hào)在ADC轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級(jí)。 AD7793內(nèi)部可編程增益放大器（PGA）能夠提供的最大增益為128。本解決方案中的增益為16，允許AD7793通過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源運(yùn)行內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)功能。

　　熱電偶的非線性校正：AD7793在寬溫度范圍（–40°C至 +105°C）內(nèi)具有出色的線性度，不需要用戶校正或校準(zhǔn)。為了確定實(shí)際熱電偶溫度，必須使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）所提供的公式將參考溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換成等效熱電電壓。此電壓與AD7793測(cè)量的熱電偶電壓相加，然后再次使用NIST公式將兩者之和再轉(zhuǎn)換回?zé)犭娕紲囟取Ａ硪环N方法涉及查找表的使用。然而，若要獲得同樣的精度，查找表的大小可能有較大不同，這就需要主機(jī)控制器為其分配額外的存儲(chǔ)資源。所有處理均通過(guò)EVAL-SDP-CB1Z以軟件方式完成。EVAL-SDP-CB1Z以軟件方式完成。

　　欲查看完整原理圖和EVAL-CN0172-SDPZ的布局，請(qǐng)參見(jiàn) CN-0172設(shè)計(jì)支持包：www.analog.com/CN0172-DesignSupport.

　　常見(jiàn)變化

　　對(duì)于精度要求較低的應(yīng)用，可用 AD7792 16位Σ-Δ 型ADC 替代 AD7793 24位Σ-Δ 型ADC對(duì)于基準(zhǔn)溫度測(cè)量，可用 ±0.5°C精度的 ADT7310 數(shù)字溫度傳感器替代±0.25°C精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。