使用 AD849x 和 LT1025 探索单片热电偶信号调理

来源：江南网页版登录入口官网下载网

时间：2023-04-04 17:06:23

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使用 AD849x 和 LT1025 探索单片热电偶信号调理热电偶的输出是一个小电压，通常每 °C 变化几十微伏。这种低电平信号需要显着放大才能被典型的 ADC 数字化。此外，热电

热电偶的输出是一个小电压，通常每 °C 变化几十微伏。这种低电平信号需要显着放大才能被典型的 ADC 数字化。此外，热电偶输出应针对非零冷端温度的误差进行补偿。在上一篇文章中，我们研究了热电偶信号调理电路的分立实现。

本文概述了两种不同的单片热电偶解决方案：AD849x 系列和LT1025。本系列的下一篇文章将继续讨论并概述 AD594 / AD595和MAX6675的重要特性。

单片热电偶放大器——AD849x 示例

让我们深入了解一下图 1 中所示的 AD849x 的功能框图。

图 1. AD849x 框图。图片由Analog Devices提供

该器件包括一个低失调、固定增益仪表放大器和一个内置冷端补偿 (CJC) 电路。该系列中的每个器件都针对 J 型或 K 型热电偶进行了工厂校准。AD849x 可以将热电偶的小输出直接转换为变化 5 mV/°C 的高电平信号。下式可用于计算热电偶的热结温度 (T MJ )：

T M J = V O U T ? V R E F 5 m V / ° C $吨_{米杰} = \frac{V_{欧 ü 吨} ? V_{R 乙 F}}{5个米 V / ° C}$

等式 1。

其中VREF是 REF 引脚上的电压。例如，如果 AD8494 产生 250 mV 的输出且 V REF = 0，则热结点为 50 °C。

热电偶信号调理：相同温度下的 IC 和冷端

使用单片热电偶解决方案时应考虑的一项一般要求是，这些设备应放置在靠近热电偶冷端的位置（图 2）。

图 2. 显示 AD849x 中结点的图表。图片由Analog Devices提供

热电偶信号调节器使用 CJC 的集成温度传感器。该温度传感器实际测量的是芯片温度而不是热电偶的冷端。因此，为了更准确地测量冷端温度，信号调理器应靠近冷端。这应该不难，尤其是对于采用 3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm 微型封装的 AD849x 等信号调节器。

AD849x 封装和冷端之间的任何温差都表现为终测量值的温度误差。除了在 AD849x 和冷端之间使用短走线外，将 IC 的功耗降至以避免在 PCB 上产生温度梯度也很重要。这给我们带来了关于热电偶信号调节器的另一个重要观点：这些设备通常只从电源汲取小电流，以限度地减少自热效应。例如，AD849x 的电流消耗为 180 μA。如果需要，AD849x 可以向负载提供超过 ±5 mA 的电流；然而，提供大量输出电流会导致温度梯度并在我们的测量中引入误差。

AD849x 的非线性误差

虽然热电偶具有非线性输入输出特性，但公式 1 表明 AD849x 的输出是热结温度的线性函数。应该注意的是，AD849x 线性放大（冷端补偿）热电偶信号。因此，放大后的输出实际上与热电偶信号一样是非线性的。因此，公式 1 给出的线性函数仅近似于系统的实际非线性响应。

尽管 AD849x 不会主动校正热电偶非线性，但它是基于感兴趣温度范围内传感器特性曲线的线性模型设计的。换句话说，“适合”所支持传感器（链接 200）的非线性特性的直线用于出厂校准内部放大器。这限度地减少了公式 1 提供的线性模型的非线性误差。在指定的温度范围内，该公式预测的值应具有小于 ±2 °C 的线性误差。下表给出了该系列每个部分的温度范围。

表 1.使用的数据由Analog Devices提供

AD849x ±2 °C 精度温度范围
部分	热电偶类型	误差	环境温度范围	测量温度范围
AD8494	杰	±2℃	0 °C 至 50 °C	-35 °C 至 +95 °C
AD8495	钾	±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	钾	±2℃	25 °C 至 100 °C	-25 °C 至 +295 °C

请注意，该系列中的每个器件都经过预先调整以匹配 J 型或 K 型热电偶的特性。本应用笔记讨论了可以显着提高 AD849x 线性度的算法。图 3 显示了 AD8495 的非线性误差以及采用和不采用校正算法的参考设计的非线性误差。

图 4. AD8495 的非线性误差图。图片由Analog Devices提供

在这种情况下，线性改进算法将误差降低到 ±0.5 °C 以下。

AD849x 基准 (REF) 引脚功能

当热电偶的测量（或热）接点温度低于其参考（或冷）接点时，它会产生负电压。因此，如果您需要测量负温度，则应考虑能够处理负电压的信号调理电路。显而易见的解决方案是使用双电源供电的放大器。即使系统设计为采用单电源运行，AD849x 也可以解决这个问题。为此，我们可以通过向参考引脚 (REF) 施加适当的正电压来对输出进行电平转换。在这种情况下，当测量结处于负温度时，输出将低于 VREF（公式 1）。当我们需要对输出进行电平转换以匹配信号链中后续电路的输入范围时，REF 引脚也很有用。

另一个单片热电偶示例解决方案——LT1025

Linear Technology 的 LT1025 是另一种用于冷端补偿的单片解决方案。AD849x 包括一个内部放大器和一个 CJC 电路，而 LT1025 只产生冷端补偿电压。该 IC 的功能框图如图 5 所示。

图 5. LT1025 的框图。图片由凌力尔特提供

该器件感测封装温度并产生 10 mV/°C 缓冲输出。然后将该电压施加到电阻分压器以产生适用于不同类型热电偶的输出。如您所见，LT1025 支持 E 型、J 型、K 型、T 型、R 型和 S 型热电偶。要了解模拟 CJC 电路背后的理论，请参阅本文。

使用示例放大器探索热电偶应用

图 6 显示了我们如何使用该设备来操作 K 型热电偶。

图 6. K 型热电偶运行示意图。图片由凌力尔特公司提供。

LTKA0x是一款专为热电偶应用而设计的放大器。它具有低失调 (< 35 μV) 和低漂移 (<1.5 μV/°C)。此外，它的偏置电流也非常低 (<1 nA)，这使我们能够在放大器输入端包括具有相对较大电阻（在 10 至 100 kΩ 范围内）的滤波器，而不会经历明显的偏移和漂移效应。

与 AD849x 不同，LT1025 解决方案将放大器和冷端补偿块分开。这有助于限度地减少 CJC 芯片消耗的功率，从而限度地减少自热效应。LT1025 仅需要 80μA——远低于 AD849x 的 180μA。由于这种小电流消耗，对于 10V 以下的电源电压，LT1025 的内部温升小于 0.1°C。

解决热电偶非线性问题

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:

$V_{欧 ü 吨} = A 吨 + A β (吨 ? 25 ° C)^{2个}$

在哪里：

A A n d β

是线性项和二次项的系数T 表示温度

选择 $\beta$ 的值是为了减少 LT1025 的所有热电偶输出中的非线性误差。请注意，此二次项试图改进 CJC 电路中使用的热电偶模型。换句话说，它减少了 CJC 电路的非线性误差，但不能补偿热电偶本身的非线性误差。 $β$ 是为了减少 LT1025 的所有热电偶输出中的非线性误差。请注意，此二次项试图改进 CJC 电路中使用的热电偶模型。换句话说，它减少了 CJC 电路的非线性误差，但不能补偿热电偶本身的非线性误差。

现在您已经熟悉了 AD849x 和 LT1025 的一些重要特性，我建议您查看这些器件的数据表。您将在其中找到更多详细信息和各种有用的电路图，以了解这些产品的更具体用例。