基于AD7793的完整熱電偶測量系統(tǒng)

電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一個基于24位Σ-Δ型ADC AD7793 的完整熱電偶系統(tǒng)。AD7793是一款適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置PGA、基準(zhǔn)電壓源、時鐘和激勵電流，從而大大簡化了熱電偶系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)峰峰值噪聲約為0.02°C。

AD7793的最大功耗僅500 μA，因而適合低功耗應(yīng)用，例如整個發(fā)送器的功耗必須低于4 mA的智能發(fā)送器等。AD7793還具有關(guān)斷選項。在這種模式下，整個ADC及其輔助功能均關(guān)斷，器件的最大功耗降至1 μA。

AD7793提供一種集成式熱電偶解決方案，可以直接與熱電偶接口。冷結(jié)補償由一個熱敏電阻和一個精密電阻提供。該電路只需要這些外部元件來執(zhí)行冷結(jié)測量，以及一些簡單的R-C濾波器來滿足電磁兼容性(EMC)要求。

圖1. 帶冷結(jié)補償?shù)臒犭娕?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/測量系統(tǒng)">測量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述
本電路使用T型熱電偶。該熱電偶由銅和康銅構(gòu)成，溫度測量范圍為−200°C至+400°C，產(chǎn)生的溫度相關(guān)電壓典型值為40 μV/°C。

熱電偶的傳遞函數(shù)不是線性的。在0°C至+60°C的溫度范圍，其響應(yīng)非常接近線性。但是，在更寬的溫度范圍內(nèi)，必須使用一個線性化程序處理。

測試電路不包括線性化功能，因此，本電路的有用測量范圍是0°C到+60°C。在該溫度范圍內(nèi)，熱電偶產(chǎn)生0 mV至2.4 mV的電壓。內(nèi)部1.17 V基準(zhǔn)電壓用于熱電偶轉(zhuǎn)換。因此，AD7793的增益配置為128。

AD7793采用單電源供電，熱電偶產(chǎn)生的信號必須被偏置到地以上，從而處于該ADC支持的范圍。對于128倍的增益，模擬輸入端的絕對電壓必須在GND + 300 mV至AVDD – 1.1 V范圍內(nèi)。

AD7793片上集成的偏置電壓發(fā)生器偏置熱電偶信號，使其共模電壓為AVDD/2，確保以相當(dāng)大的裕量滿足輸入電壓限值要求。

熱敏電阻在+25°C時的值為1 kΩ，0°C時的典型值為815 Ω，+30°C時的典型值為1040 Ω。假設(shè)0°C至30°C的傳遞函數(shù)為線性，則冷結(jié)溫度與熱敏電阻R之間的關(guān)系為：

冷結(jié)溫度= 30 × (R – 815)/(1040 – 815)

AD7793的1 mA激勵電流用于為熱敏電阻和2 kΩ精密電阻供電?；鶞?zhǔn)電壓利用該2 kΩ外部精密電阻產(chǎn)生。這種架構(gòu)提供一種比率式配置，激勵電流用于為熱敏電阻供電，并產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。因此，激勵電流值的偏差不會改變系統(tǒng)的精度。

對熱敏電阻通道進(jìn)行采樣時，AD7793以1倍的增益工作。對于+30°C的最大冷結(jié)溫度，熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓為1 mA × 1040 Ω = 1.04 V。

熱敏電阻的選擇條件是：熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓乘以PGA增益的結(jié)果小于或等于精密電阻上產(chǎn)生的電壓。
對于ADC_CODE的轉(zhuǎn)換值，相應(yīng)的熱敏電阻值R等于：

R = (ADC_CODE – 0x800000) × 2000/223

還需要考慮AD7793 IOUT1引腳的輸出順從電壓。使用1 mA激勵電流時，輸出順從電壓等于AVDD – 1.1 V。從上述計算可知，電路滿足這一要求，因為IOUT1的最大電壓等于精密電阻上的電壓加上熱敏電阻上的電壓，等于2 V + 1.04 V = 3.04 V。

AD7793以16.7 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率工作。每讀取10個熱電偶轉(zhuǎn)換結(jié)果，就讀取1個熱敏電阻轉(zhuǎn)換結(jié)果。相應(yīng)的溫度等于：

溫度 = 熱電偶溫度 + 冷結(jié)溫度

AD7793的轉(zhuǎn)換結(jié)果由模擬微控制器ADuC832 處理，所得的溫度顯示在LCD顯示器上。

該熱電偶設(shè)計采用6 V（2節(jié)3 V鋰電池）電池供電。一個二極管將6 V電壓降至適合AD7793和模擬微控制器ADuC832的電平。ADuC832電源與AD7793電源之間有一個RC濾波器，用以降低進(jìn)入AD7793的電源數(shù)字噪聲。

圖2顯示了T型熱電偶上產(chǎn)生的電壓與溫度的關(guān)系。圓圈內(nèi)的區(qū)域是從0°C到+60°C，該區(qū)域內(nèi)的傳遞函數(shù)接近線性。

圖2. 熱電偶電動勢與溫度的關(guān)系

當(dāng)系統(tǒng)處于室溫時，熱敏電阻應(yīng)指示室溫的值。熱敏電阻指示的是相對于冷結(jié)溫度的相對溫度，即冷結(jié)（熱敏電阻）與熱電偶的溫差。因此，在室溫時，熱電偶應(yīng)指示0°C。

如果將熱電偶放在一個冰桶中，熱敏電阻仍舊測量環(huán)境（冷結(jié)）溫度。熱電偶應(yīng)指示熱敏電阻值的負(fù)值，使得總溫度等于0。

最后，對于16.7 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率和128倍的增益，AD7793的均方根噪聲等于0.088 μV。峰峰值噪聲等于：
6.6 × 均方根噪聲 = 6.6 × 0.088 μV = 0.581 μV

如果熱電偶的靈敏度恰好為40 μV/°C，則熱電偶的溫度測量分辨率為：
0.581 μV ÷ 40 μV = 0.014°C

圖3所示為實際的測試板。系統(tǒng)評估如下：分別在室溫時以及將熱電偶放入冰桶的情況下，測量熱敏電阻溫度、熱電偶溫度和分辨率。結(jié)果如表1所示。

圖3. 采用AD7793的熱電偶系統(tǒng)

從表1可知，熱電偶報告的溫度正確，熱敏電阻則有0.3°C的誤差。這是未包括線性化處理時的系統(tǒng)精度。如果對熱電偶和熱敏電阻進(jìn)行線性化處理，系統(tǒng)精度將會提高，系統(tǒng)將能測量更寬的溫度范圍。

如果每讀取10次就計算一次最小與最大溫度讀數(shù)之差，則用溫度表示的峰峰值噪聲為0.02°C。因此，實際的峰峰值分辨率非常接近期望值。

常見變化
AD7793是一款低噪聲、低功耗ADC。其它合適的ADC有 AD7792 和 AD7785，這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合，但AD7792為16位ADC，AD7785為20位ADC。

電路評估與測試
測試數(shù)據(jù)利用圖3所示測試板獲得。該系統(tǒng)的完整文檔位于CN-0206設(shè)計支持包中。