3通道熱電偶溫度測量系統,精度為0.25℃電路圖

2020-12-07 電子發燒友

3通道熱電偶溫度測量系統，精度為0.25℃電路圖

ADI 發表於 2013-11-14 11:17:37

　　電路功能與優勢

　　圖1中的電路在功能上可提供高精度、多通道的熱電偶測量解決方案。精確的熱電偶測量要求採用精密元件組成信號鏈，該信號鏈應當能夠放大微弱的熱電偶電壓、降低噪聲、校正非線性度並提供精確的基準結補償（通常稱為冷結補償）。本電路可解決熱電偶溫度測量的全部這些難題，並具有±0.25°C以上的精度。

　　圖1中的電路顯示將3個K型熱電偶連接至AD7793 精密24位 Σ-Δ型模數轉換器（ADC），以測量熱電偶電壓。由於熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件，必須知道基準結溫才能獲得精確的絕對溫度讀數。這一過程被稱為基準結補償，通常稱為冷結補償。本電路中ADT7320 精密16位數字溫度傳感器用於冷結基準測量，並提供所需的精度。

　　對於需要在熱電偶提供的寬溫度範圍內進行高性價比的精確溫度測量而言，這類應用非常受歡迎。

　　

　　圖1. 多通道熱電偶測量系統（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同時測量3個K型熱電偶而設計，該器件是一款±0.25°C精度、16位數字SPI溫度傳感器。

　　熱電偶電壓測量

　　採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到達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集成片內多路復用器、緩衝器和儀表放大器，可放大來自熱電偶測量結點的小電壓信號。

　　冷結測量

　　ADT7320精密16位數字溫度傳感器用於測量基準結（冷結） 溫度，其精度在−20°C至+105°C溫度範圍內可達±0.25°C。 ADT7320完全經過工廠校準，用戶無需自行校準。它內置一個帶隙溫度基準源、一個溫度傳感器和一個16位Σ-Δ型 ADC， 用來測量溫度並進行數字轉換， 解析度為 0.0078°C。

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

　　

　　圖2. EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板

　　圖2顯示帶有3個K型熱電偶連接器的EVAL-CN0172-SDPZ 電路評估板，AD7793 ADC， 和ADT7320溫度傳感器安裝在獨立柔性印刷電路板（PCB）的兩塊銅觸點之間，用於基準溫度測量。

　　圖3是安裝在獨立柔性PCB上ADT7320 的側視圖，該器件插在熱電偶連接器的兩個銅觸點之間。圖3中的柔性PCB更薄更靈活，比小型FR4類PCB更具優勢。它允許將ADT7320巧妙地安裝在熱電偶連接器的銅觸點之間，以儘量降低基準結和ADT7320之間的溫度梯度。

　　

　　圖3. 安裝在柔性PCB上ADT7320的側視圖

　　小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應基準結的溫度變化。 圖4顯示ADT7320的典型熱響應時間。

　　

　　圖4.ADT7320典型熱響應時間

　　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。實際選用的熱電偶具有裸露尖端。測量結位於探頭壁（probe wall）之外，暴露在目標介質中。

　　採用裸露尖端的優勢在於，它能提供最佳的熱傳導率、具有最快的響應時間，並且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機械損壞和腐蝕的影響。因此，不適合用於惡劣環境。但在需要快速響應時間的場合下，裸露尖端是最佳選擇。若在工業環境中使用裸露尖端，則可能需對信號鏈進行電氣隔離。可使用數字隔離器達到這一目的 （見www.analog.com/icoupler）。

　　不同於傳統的熱敏電阻或電阻式溫度檢測器（RTD）， ADT7320是一款完全即插即用型解決方案，無需在電路板裝配後進行多點校準，也不會因校準係數或線性化程序而消耗處理器或內存資源。它在3.3 V電源下工作時的典型功耗僅為700μW，避免了會降低傳統電阻式傳感器解決方案精度的自發熱問題。

　　精密溫度測量指南

　　下列指南可確保ADT7320精確地測量基準結溫度。

　　電源： 如果ADT7320 從開關電源供電，可能產生50 kHz以上的噪聲，從而影響溫度精度。為了防止此缺陷，應在電源和VDD. 之間使用RC濾波器。所用元件值應仔細考慮，確保電源噪聲峰值小於1 mV

　　去耦： ADT7320必須在儘可能靠近 VDD 的地方安裝去耦電容，以確保溫度測量的精度。推薦使用諸如0.1μF高頻陶瓷類型的去耦電容。此外，還應使用一個低頻去耦電容與高頻陶瓷電容並聯，如10μF 至 50 μF 鉭電容。

　　最大熱傳導： 塑料封裝和背面的裸露焊盤（GND）是基準結至ADT7320的主要熱傳導路徑。由於銅觸點與ADC輸入相連，本應用中無法連接背面的焊盤，因為這樣做會影響 ADC輸入的偏置。

　　精密電壓測量指南

　　下列指南可確保AD7793精確地測量熱電偶測量結電壓。

　　去耦：AD7793必須在儘可能靠近AVDD 和 DVDD 的地方安裝去耦電容，以確保電壓測量的精度。應將0.1 μF陶瓷電容與 10 μF鉭電容並聯，將AVDD去耦到GND。此外，應將0.1 μF 陶瓷電容與10 μF鉭電容並聯，將DVDD去耦到GND。 更多有關接地、布局和去耦技巧的討論，請參考Tutorial MT-031 和 Tutorial MT-101

　　濾波：AD7793的差分輸入用於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。由於輸入ADC 的AIN（+）和AIN（−）均為模擬差分輸入，因此，模擬調製器中的多數電壓均為共模電壓。AD7793的出色共模抑制（100 dB最小值）進一步消除了這些輸入信號中的共模噪聲。

　　本方案解決的其它難題

　　下文總結了本解決方案是如何解決前文提到的其它熱電偶相關難題。

　　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K型熱電偶變化幅度為41μV/°C。這種微弱的信號在ADC轉換前需要較高的增益級。 AD7793內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通過內部基準電壓源運行內部滿量程校準功能。

　　熱電偶的非線性校正：AD7793在寬溫度範圍（–40°C至 +105°C）內具有出色的線性度，不需要用戶校正或校準。為了確定實際熱電偶溫度，必須使用美國國家標準技術研究院（NIST）所提供的公式將參考溫度測量值轉換成等效熱電電壓。此電壓與AD7793測量的熱電偶電壓相加，然後再次使用NIST公式將兩者之和再轉換回熱電偶溫度。另一種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，這就需要主機控制器為其分配額外的存儲資源。所有處理均通過EVAL-SDP-CB1Z以軟體方式完成。EVAL-SDP-CB1Z以軟體方式完成。

　　欲查看完整原理圖和EVAL-CN0172-SDPZ的布局，請參見 CN-0172設計支持包：www.analog.com/CN0172-DesignSupport.

　　常見變化

　　對於精度要求較低的應用，可用 AD7792 16位Σ-Δ 型ADC 替代 AD7793 24位Σ-Δ 型ADC對於基準溫度測量，可用 ±0.5°C精度的 ADT7310 數字溫度傳感器替代±0.25°C精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。

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