?熱電偶信號調(diào)節(jié)器和冷端附近的信號調(diào)節(jié)

通過示例產(chǎn)品如AD594/AD595、MAX6675和ADS1220，了解單片熱電偶信號調(diào)節(jié)器和信號調(diào)節(jié)。

在本系列的前文中，我們介紹了單片熱電偶信號調(diào)節(jié)器的工作原理。本文將進(jìn)一步討論熱電偶應(yīng)用的其他幾種選擇，即AD594/AD595、MAX6675和ADS1220。前文中的一些基本概念也適用于本文討論的熱電偶調(diào)節(jié)器。例如，所有這些信號調(diào)節(jié)器都應(yīng)該放置在熱電偶的冷端附近。但是，某些功能可能是特定于設(shè)備的。

為了保持簡潔，我們將主要關(guān)注這些設(shè)備中的每一個(gè)的關(guān)鍵功能。

熱電偶信號調(diào)節(jié)器示例1—AD594/AD595

AD594/AD595是一款完整的熱電偶信號調(diào)節(jié)器，將放大器和冷端補(bǔ)償器集成到一個(gè)封裝中。圖1顯示了該設(shè)備的功能框圖和基本的單電源連接。

AD594/AD595 結(jié)構(gòu)圖。

圖1. AD594/AD595 框圖。圖片由 Analog Devices 提供

電路的一個(gè)基本部分是由右側(cè)差分放大器（增益為G）、主放大器（+A）以及引腳8和5之間的內(nèi)部電阻器組成的反饋回路。左側(cè)差分對放大熱電偶電壓，并將其應(yīng)用于反饋回路中的求和節(jié)點(diǎn)。“冰點(diǎn)補(bǔ)償”塊產(chǎn)生冷端補(bǔ)償（CJC）電壓，并通過右側(cè)差分對將其添加到熱電偶回路中。

您可以在AD594/AD595數(shù)據(jù)表中找到有關(guān)該電路工作原理的詳細(xì)信息。無需進(jìn)一步了解這些細(xì)節(jié)，最終結(jié)果是該設(shè)備旨在直接連接到熱電偶，執(zhí)行冷端補(bǔ)償和放大，并產(chǎn)生10 mV/°C的輸出。例如，當(dāng)熱電偶連接到AD594時(shí)，輸出約為500 mV，熱端溫度為50°C。

請注意，AD594和AD595通過激光晶圓修整進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，以分別匹配J型和K型熱電偶的特性曲線。

AD594/AD595中的負(fù)溫度測量

在之前的文章中，我們討論了AD849x，它也是熱電偶信號調(diào)節(jié)器，即使由單軌電源供電，也可以測量負(fù)溫度。與AD849x不同，AD594/AD595需要雙軌電源來測量0°C以下的溫度。

AD594/AD595增益校準(zhǔn)

AD594/AD595的一個(gè)有趣特性是，內(nèi)部電路的某些重要節(jié)點(diǎn)可在封裝引腳上找到。例如，引腳8連接到設(shè)備的內(nèi)部反饋路徑。此外，引腳3和5上可找到應(yīng)用于右側(cè)差分放大器的CJC電壓。將這些節(jié)點(diǎn)放在封裝引腳上，可讓我們擁有更靈活的信號調(diào)節(jié)器，可根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行調(diào)整。

記住這一點(diǎn)，我們來看看如何在實(shí)際中使用反饋電阻器。如圖1所示，在正常工作條件下，引腳9和8連接在一起。這將放大器輸出連接到設(shè)置設(shè)備增益的內(nèi)部反饋電阻器。內(nèi)部反饋網(wǎng)絡(luò)在出廠前已校準(zhǔn)，可產(chǎn)生10 mV/°C的輸出。然而，為了調(diào)整增益，我們可以在引腳9和5之間放置一個(gè)額外的電阻器。這個(gè)外部電阻器將與內(nèi)部反饋電阻器并聯(lián)，從而可以調(diào)整放大器增益。我們甚至可以通過斷開引腳9和8之間的連接，用外部電阻器替換內(nèi)部電阻器。

圖2展示了通過調(diào)整反饋電阻器進(jìn)行增益校準(zhǔn)。

通過調(diào)整反饋電阻器進(jìn)行增益校準(zhǔn)的示意圖。

圖2:通過調(diào)整反饋電阻器進(jìn)行增益校準(zhǔn)的示意圖。圖片由Analog Devices提供

上圖顯示了如何使用AD594/AD595產(chǎn)生與華氏溫度成比例的輸出（10 mV/°F）。接下來，讓我們考慮以下溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換的方程：

根據(jù)這個(gè)方程，我們可以驗(yàn)證需要增加增益

 $\frac{9}{5}$（以及添加適當(dāng)?shù)钠浦担┮允馆敵鲆?0 mV/°F的速度變化，而不是出廠校準(zhǔn)的10 mV/°C值。

換句話說，我們需要調(diào)整反饋電阻器以獲得 $10\times \frac{9}{5}=18mV/°C$ 的輸出

上圖通過在引腳9和引腳8之間放置一個(gè)微調(diào)電位器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。對于J型熱電偶，室溫靈敏度為51.7μV/°C。因此，AD594的增益可表示為：

如本應(yīng)用說明所述，我們可以向引腳1和14施加一個(gè)交流信號VTest，然后調(diào)整RGain，直到我們在輸出端得到VTest ? GainNew。

AD594/AD595 偏移校準(zhǔn)

還可以向AD594/AD595的輸出添加偏移。圖3顯示了執(zhí)行偏移校準(zhǔn)的一種方法。

圖表顯示了一種執(zhí)行偏移校準(zhǔn)的方法。

圖3. 執(zhí)行偏移校準(zhǔn)的一種方法的示意圖。圖像由模擬設(shè)備公司提供

在消除設(shè)備殘余校準(zhǔn)誤差時(shí)，這尤其有用。AD594/AD595是一種激光晶圓修整，可實(shí)現(xiàn)最大校準(zhǔn)誤差為1°C或3°C，具體取決于設(shè)備性能等級。在要求較高的應(yīng)用中，可以使用上圖來消除這種殘余誤差。15 MΩ電阻器略微增加了右側(cè)差分放大器反相輸入端的電位。這迫使電路具有約-3°C的負(fù)偏移?！皬?qiáng)制”負(fù)偏移然后通過連接到差分放大器非反相輸入端的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)方案確?？梢允褂脝未螁蜗蛐拚麃硐`差。您可以在圖2中看到另一個(gè)偏移校準(zhǔn)示例。

其他熱電偶類型的溫度調(diào)整

除了調(diào)整增益和偏置外，還可以調(diào)整內(nèi)部冷端補(bǔ)償器的溫度系數(shù)。這使我們能夠?qū)D594/AD595與其他類型的熱電偶一起使用。例如，數(shù)據(jù)表解釋了如何將出廠校準(zhǔn)為J型熱電偶的AD594重新校準(zhǔn)為E型熱電偶。

熱電偶信號調(diào)節(jié)器示例2—MAX6675

熱電偶信號調(diào)理的另一種選擇是MAX6675，其功能框圖如下所示。

MAX6675的框圖。

圖4 MAX6675的框圖。圖片由Maxim Integrated（Analog Devices）提供

MAX6675將12位ADC（模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器）和冷端補(bǔ)償器集成到一個(gè)封裝中。它可以直接連接到K型熱電偶，如圖5所示。

示例應(yīng)用電路圖。

圖5 示例應(yīng)用電路圖。圖片由Maxim Integrated（Analog Devices）提供

該設(shè)備可以測量0°C至1024°C（注意，它不能測量負(fù)溫度）的寬范圍熱結(jié)溫度。冷結(jié)溫度或MAX6675的工作溫度應(yīng)在-20°C至+85°C的范圍內(nèi)。

如圖4所示，CJC信號和熱電偶輸出均由ADC進(jìn)行數(shù)字化。該設(shè)備使用這些信息執(zhí)行CJC并讀取結(jié)果（即溫度以12位值的形式在SO引腳上測量）。全零序列對應(yīng)0°C，而全一序列表示熱電偶處于+1023.75°C。

熱電偶信號調(diào)節(jié)器示例3—ADS1220

作為第三種熱電偶調(diào)節(jié)器選項(xiàng)，我想提到的是，除了使用帶有集成冷端補(bǔ)償器的設(shè)備外，您還可以使用包含內(nèi)部精密溫度傳感器的ADC。圖6顯示了使用ADS1220的示例圖。

ADS1220的框圖。

圖6. ADS1220的框圖。圖片由德州儀器公司提供

ADS1220是一款24位ADC，帶有高精度溫度傳感器，可用于測量設(shè)備溫度以進(jìn)行CJC（冷端溫度補(bǔ)償）目的。ADS1220無法自動執(zhí)行冷端溫度補(bǔ)償；但是，可以在ADC之后的處理器中完成。例如，如果由于精度有限或無法將ADC放置在冷端附近而無法使用內(nèi)部溫度傳感器，則可以使用RTD或熱敏電阻來測量冷端溫度。但是，這將消耗ADC的額外輸入通道。