使用 AD849x 和 LT1025 探索單片熱電偶信號調(diào)理

熱電偶的輸出是一個小電壓，通常每 °C 變化幾十微伏。這種低電平信號需要顯著放大才能被典型的 ADC 數(shù)字化。此外，熱電偶輸出應(yīng)針對非零冷端溫度的誤差進行補償。在上一篇文章中，我們研究了熱電偶信號調(diào)理電路的分立實現(xiàn)。

本文概述了兩種不同的單片熱電偶解決方案：AD849x 系列和LT1025。本系列的下一篇文章將繼續(xù)討論并概述 AD594 / AD595和MAX6675的重要特性。

單片熱電偶放大器——AD849x 示例

讓我們深入了解一下圖 1 中所示的 AD849x 的功能框圖。

圖 1. AD849x 框圖。圖片由Analog Devices提供

該器件包括一個低失調(diào)、固定增益儀表放大器 和一個內(nèi)置冷端補償 (CJC) 電路。該系列中的每個器件都針對 J 型或 K 型熱電偶進行了工廠校準。AD849x 可以將熱電偶的小輸出直接轉(zhuǎn)換為變化 5 mV/°C 的高電平信號。下式可用于計算熱電偶的熱結(jié)溫度 (T MJ )：

T M J = V O U T ? V R E F 5 m V / ° C<font><font>噸</font></font><font><font>米</font></font><font><font>杰</font></font><font>=</font><font><font>V</font></font><font><font>歐</font></font><font><font>ü</font></font><font><font>噸</font></font><font><font>?</font></font><font><font>V</font></font><font><font>R</font></font><font><font>乙</font></font><font><font>F</font></font><font><font>5個</font></font><font><font>米</font></font><font><font>V</font></font><font><font>/</font></font><font><font>°</font></font><font><font>C</font></font>

等式 1。

其中VREF是 REF 引腳上的電壓。例如，如果 AD8494 產(chǎn)生 250 mV 的輸出且 V REF  = 0，則熱結(jié)點為 50 °C。

熱電偶信號調(diào)理：相同溫度下的 IC 和冷端

使用單片熱電偶解決方案時應(yīng)考慮的一項一般要求是，這些設(shè)備應(yīng)放置在靠近熱電偶冷端的位置（圖 2）。

圖 2. 顯示 AD849x 中結(jié)點的圖表。 圖片由Analog Devices提供

熱電偶信號調(diào)節(jié)器使用 CJC 的集成溫度傳感器。該溫度傳感器實際測量的是芯片溫度而不是熱電偶的冷端。因此，為了更準確地測量冷端溫度，信號調(diào)理器應(yīng)靠近冷端。這應(yīng)該不難，尤其是對于采用 3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm 微型封裝的 AD849x 等信號調(diào)節(jié)器。

AD849x 封裝和冷端之間的任何溫差都表現(xiàn)為終測量值的溫度誤差。除了在 AD849x 和冷端之間使用短走線外，將 IC 的功耗降至以避免在 PCB 上產(chǎn)生溫度梯度也很重要。這給我們帶來了關(guān)于熱電偶信號調(diào)節(jié)器的另一個重要觀點：這些設(shè)備通常只從電源汲取小電流，以限度地減少自熱效應(yīng)。例如，AD849x 的電流消耗為 180 μA。如果需要，AD849x 可以向負載提供超過 ±5 mA 的電流；然而，提供大量輸出電流會導致溫度梯度并在我們的測量中引入誤差。

AD849x 的非線性誤差

雖然熱電偶具有非線性輸入輸出特性，但公式 1 表明 AD849x 的輸出是熱結(jié)溫度的線性函數(shù)。應(yīng)該注意的是，AD849x 線性放大（冷端補償）熱電偶信號。因此，放大后的輸出實際上與熱電偶信號一樣是非線性的。因此，公式 1 給出的線性函數(shù)僅近似于系統(tǒng)的實際非線性響應(yīng)。

盡管 AD849x 不會主動校正熱電偶非線性，但它是基于感興趣溫度范圍內(nèi)傳感器特性曲線的線性模型設(shè)計的。換句話說，“適合”所支持傳感器（鏈接 200）的非線性特性的直線用于出廠校準內(nèi)部放大器。這限度地減少了公式 1 提供的線性模型的非線性誤差。在指定的溫度范圍內(nèi)，該公式預(yù)測的值應(yīng)具有小于 ±2 °C 的線性誤差。下表給出了該系列每個部分的溫度范圍。

表 1.使用的數(shù)據(jù)由Analog Devices提供

AD849x ±2 °C 精度溫度范圍
部分	熱電偶類型	誤差	環(huán)境溫度范圍	測量溫度范圍
AD8494	杰	±2℃	0 °C 至 50 °C	-35 °C 至 +95 °C
AD8495	鉀	±2℃	0 °C 至 50 °C	-25 °C 至 +400 °C
AD8496	杰	±2℃	25 °C 至 100 °C	+55 °C 至 +565 °C
AD8497	鉀	±2℃	25 °C 至 100 °C	-25 °C 至 +295 °C

請注意，該系列中的每個器件都經(jīng)過預(yù)先調(diào)整以匹配 J 型或 K 型熱電偶的特性。本應(yīng)用筆記討論了可以顯著提高 AD849x 線性度的算法。圖 3 顯示了 AD8495 的非線性誤差以及采用和不采用校正算法的參考設(shè)計的非線性誤差。

圖 4. AD8495 的非線性誤差圖。圖片由Analog Devices提供

在這種情況下，線性改進算法將誤差降低到 ±0.5 °C 以下。

AD849x 基準 (REF) 引腳功能

當熱電偶的測量（或熱）接點溫度低于其參考（或冷）接點時，它會產(chǎn)生負電壓。因此，如果您需要測量負溫度，則應(yīng)考慮能夠處理負電壓的信號調(diào)理電路。顯而易見的解決方案是使用雙電源供電的放大器。即使系統(tǒng)設(shè)計為采用單電源運行，AD849x 也可以解決這個問題。為此，我們可以通過向參考引腳 (REF) 施加適當?shù)恼妷簛韺敵鲞M行電平轉(zhuǎn)換。在這種情況下，當測量結(jié)處于負溫度時，輸出將低于 VREF（公式 1）。當我們需要對輸出進行電平轉(zhuǎn)換以匹配信號鏈中后續(xù)電路的輸入范圍時，REF 引腳也很有用。

另一個單片熱電偶示例解決方案——LT1025

Linear Technology 的 LT1025 是另一種用于冷端補償?shù)膯纹鉀Q方案。AD849x 包括一個內(nèi)部放大器和一個 CJC 電路，而 LT1025 只產(chǎn)生冷端補償電壓。該 IC 的功能框圖如圖 5 所示。

圖 5. LT1025 的框圖。圖片由凌力爾特提供

該器件感測封裝溫度并產(chǎn)生 10 mV/°C 緩沖輸出。然后將該電壓施加到電阻分壓器以產(chǎn)生適用于不同類型熱電偶的輸出。如您所見，LT1025 支持 E 型、J 型、K 型、T 型、R 型和 S 型熱電偶。要了解模擬 CJC 電路背后的理論，請參閱本文。

使用示例放大器探索熱電偶應(yīng)用

圖 6 顯示了我們?nèi)绾问褂迷撛O(shè)備來操作 K 型熱電偶。

圖 6. K 型熱電偶運行示意圖。圖片由凌力爾特公司提供。

LTKA0x是一款專為熱電偶應(yīng)用而設(shè)計的放大器。它具有低失調(diào) (< 35 μV) 和低漂移 (<1.5 μV/°C)。此外，它的偏置電流也非常低 (<1 nA)，這使我們能夠在放大器輸入端包括具有相對較大電阻（在 10 至 100 kΩ 范圍內(nèi)）的濾波器，而不會經(jīng)歷明顯的偏移和漂移效應(yīng)。

與 AD849x 不同，LT1025 解決方案將放大器和冷端補償塊分開。這有助于限度地減少 CJC 芯片消耗的功率，從而限度地減少自熱效應(yīng)。LT1025 僅需要 80μA——遠低于 AD849x 的 180μA。由于這種小電流消耗，對于 10V 以下的電源電壓，LT1025 的內(nèi)部溫升小于 0.1°C。

解決熱電偶非線性問題

If you’re familiar with CJC circuits, the theory behind the LT1025 should be relatively straightforward to you; however, another feature that deserves more explanation is the “Bow Correction Voltage” block. This block adds a nonlinear term to the 10 mV/°C voltage produced by the temperature sensor. This nonlinear term is added to address the thermocouple nonlinearity error in the CJC circuit. A basic CJC circuit attempts to fit a straight line to the thermocouple characteristic curve and uses this line of best fit to reproduce the thermocouple output over the cold junction temperature range. However, the output of the LT1025 consists of two different terms: a linear term proportional to temperature plus a quadratic term proportional to temperature deviation from 25 °C squared. Ideally, the LT1025 should implement the following equation:

$${}_{OUT}=aT+a\beta (T?25°C{}^{}$$

在哪里：

$A和\_\_\beta$是線性項和二次項的系數(shù)T 表示溫度

選擇 \(\beta\) 的值是為了減少 LT1025 的所有熱電偶輸出中的非線性誤差。請注意，此二次項試圖改進 CJC 電路中使用的熱電偶模型。換句話說，它減少了 CJC 電路的非線性誤差，但不能補償熱電偶本身的非線性誤差。$\beta$ 是為了減少 LT1025 的所有熱電偶輸出中的非線性誤差。請注意，此二次項試圖改進 CJC 電路中使用的熱電偶模型。換句話說，它減少了 CJC 電路的非線性誤差，但不能補償熱電偶本身的非線性誤差。

現(xiàn)在您已經(jīng)熟悉了 AD849x 和 LT1025 的一些重要特性，我建議您查看這些器件的數(shù)據(jù)表。您將在其中找到更多詳細信息和各種有用的電路圖，以了解這些產(chǎn)品的更具體用例。