熱電偶的輸出是一個(gè)小電壓，通常每攝氏度變化數(shù)十微伏。這種低電平信號(hào)需要顯著放大才能由典型的 ADC 數(shù)字化。此外，熱電偶輸出應(yīng)補(bǔ)償非零冷端溫度的誤差。在上一篇文章中，我們研究了熱電偶信號(hào)調(diào)理電路的分立實(shí)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)這一討論，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 AD849x 的功能框圖。

　　圖 1. AD849x 的框圖。圖片由Analog Devices提供
　　該器件包括低失調(diào)、固定增益儀表放大器 和內(nèi)置冷端補(bǔ)償 (CJC) 電路。該系列中的每個(gè)器件都針對(duì) J 型或 K 型熱電偶進(jìn)行了工廠校準(zhǔn)。AD849x可以直接將熱電偶的小輸出轉(zhuǎn)換為變化5 mV/°C的高電平信號(hào)。以下公式可用于計(jì)算熱電偶的熱端溫度 (T MJ )：
　　\[T_{MJ}=\frac{V_{OUT}-V_{REF}}{5mV/°C}\]
　　等式 1。
　　其中 V REF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)溫度為 50 °C。
　　熱電偶信號(hào)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(shí)應(yīng)考慮的一項(xiàng)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 中的結(jié)點(diǎn)的圖表。 圖片由Analog Devices提供
　　熱電偶信號(hào)調(diào)節(jié)器使用 CJC 集成溫度傳感器。該溫度傳感器實(shí)際上測(cè)量的是芯片溫度，而不是熱電偶的冷端溫度。因此，為了更準(zhǔn)確地測(cè)量冷端溫度，信號(hào)調(diào)節(jié)器應(yīng)靠近冷端。這應(yīng)該不難，特別是對(duì)于采用微型 3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm 封裝的 AD849x 等信號(hào)調(diào)節(jié)器。
　　AD849x 封裝和冷端之間的任何溫差都會(huì)在終測(cè)量值中表現(xiàn)為溫度誤差。除了在 AD849x 和冷端之間使用短走線外，限度地降低 IC 的功耗以避免在 PCB 上產(chǎn)生溫度梯度也很重要。這給我們帶來(lái)了關(guān)于熱電偶信號(hào)調(diào)節(jié)器的另一個(gè)重要點(diǎn)：這些設(shè)備通常僅從電源吸取很小的電流，以限度地減少自熱效應(yīng)。例如，AD849x 的電流消耗為 180 ?A。如果需要，AD849x 可以向負(fù)載提供超過(guò) ±5 mA 的電流；然而，提供大量輸出電流可能會(huì)導(dǎo)致溫度梯度并在我們的測(cè)量中引入誤差。
　　AD849x 的非線性誤差
　　雖然熱電偶表現(xiàn)出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(bǔ)償）熱電偶信號(hào)。因此，放大的輸出實(shí)際上與熱電偶信號(hào)一樣是非線性的。因此，方程 1 給出的線性函數(shù)僅近似系統(tǒng)的實(shí)際非線性響應(yīng)。
　　盡管 AD849x 不會(huì)主動(dòng)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而設(shè)計(jì)的。換句話說(shuō)，“適合”所支持傳感器（鏈接 200）非線性特性的直線用于對(duì)內(nèi)部放大器進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。這可以限度地減少公式 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(cè)的值的線性誤差應(yīng)小于 ±2 °C。下表給出了該系列每個(gè)部件的溫度范圍。
　　表 1.使用的數(shù)據(jù)由Analog Devices提供

　

　　請(qǐng)注意，該系列中的每個(gè)器件都經(jīng)過(guò)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 的非線性誤差以及使用和不使用校正算法的參考設(shè)計(jì)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(jìn)算法將誤差降低到小于±0.5°C。
　　AD849x 參考 (REF) 引腳功能
　　當(dāng)熱電偶的測(cè)量（或熱）結(jié)點(diǎn)的溫度低于其參考（或冷）結(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)，熱電偶會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓。因此，如果您需要測(cè)量負(fù)溫度，您應(yīng)該考慮可以處理負(fù)電壓的信號(hào)調(diào)理電路。顯而易見(jiàn)的解決方案是使用由雙電源供電的放大器。即使系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單電源運(yùn)行，AD849x 也可以解決此問(wèn)題。為此，我們可以通過(guò)向參考引腳 (REF) 施加適當(dāng)?shù)恼妷簛?lái)對(duì)輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。在這種情況下，當(dāng)測(cè)量結(jié)點(diǎn)處于負(fù)溫度時(shí)，輸出將低于 VREF（公式 1）。當(dāng)我們需要對(duì)輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以匹配信號(hào)鏈中后續(xù)電路的輸入范圍時(shí)，REF 引腳也很有用。
　　另一種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(bǔ)償?shù)膯纹鉀Q方案。AD849x 包括內(nèi)部放大器和 CJC 電路，而 LT1025 僅產(chǎn)生冷端補(bǔ)償電壓。該 IC 的功能框圖如圖 5 所示。

　　圖5.LT1025 的框圖。圖片由凌力爾特公司提供
　　該器件感測(cè)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)生適合不同類(lèi)型熱電偶的輸出。如您所見(jiàn)，LT1025 支持 E、J、K、T、R 和 S 型熱電偶。要了解模擬 CJC 電路背后的理論，請(qǐng)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(lái)操作 K 型熱電偶。
　　圖 6. K 型熱電偶工作原理圖。圖片由凌力爾特公司提供。
　　LTKA0x是一款專(zhuān)為熱電偶應(yīng)用而設(shè)計(jì)的放大器。它具有低失調(diào) (< 35 ?V) 和漂移 (<1.5 ?V/°C)。此外，它的偏置電流也非常低（<1 nA），這使得我們能夠在放大器輸入端包含具有相對(duì)較大電阻（在10至100 kΩ范圍內(nèi)）的濾波器，而不會(huì)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(bǔ)償模塊分開(kāi)。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 80 ?A，遠(yuǎn)低于 AD849x 的 180 ?A。由于電流消耗很小，當(dāng)電源電壓低于 10V 時(shí)，LT1025 的內(nèi)部溫升小于 0.1°C。
　　解決熱電偶非線性問(wèn)題
　　如果您熟悉 CJC 電路，那么 LT1025 背后的原理對(duì)您來(lái)說(shuō)應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)單；然而，另一個(gè)值得更多解釋的功能是“弓校正電壓”塊。該塊向溫度傳感器產(chǎn)生的 10 mV/°C 電壓添加了一個(gè)非線性項(xiàng)。添加該非線性項(xiàng)是為了解決 CJC 電路中的熱電偶非線性誤差?；?CJC 電路嘗試將直線擬合到熱電偶特性曲線，并使用這條擬合線在冷端溫度范圍內(nèi)重現(xiàn)熱電偶輸出。然而，LT1025 的輸出由兩個(gè)不同的項(xiàng)組成：與溫度成正比的線性項(xiàng)加上與 25 °C 的溫度偏差成正比的二次項(xiàng)。理想情況下，LT1025 應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下等式：
　　\[V_{OUT}=aT+a\beta(T-25 °C)^{2}\]
　　在哪里：
　　\(a\, and\,\beta\) 是線性項(xiàng)和二次項(xiàng)的系數(shù)
　　T表示溫度
　　選擇 \(\beta\) 值是為了減少 LT1025 所有熱電偶輸出中的非線性誤差。請(qǐng)注意，該二次項(xiàng)試圖改進(jìn) CJC 電路中使用的熱電偶模型。換句話說(shuō)，它減少了CJC電路的非線性誤差，但無(wú)法補(bǔ)償熱電偶本身的非線性誤差。