如何让测温更简单灵活、精准？这两种信号调理解决方案可参考
时间：2021-08-20 16:37:53
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[导读]作为利用热电效应原理而制成的测温仪器，热电偶由感温元件、毫伏测量仪表及连接导线（铜线及补偿导线）所组成，因其热电势E只是被测量温度t的函数，用仪表测得E的数值后，即可知道被测温度的大小。由于热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，测量精度高、范围广，用起来非常方便。常用的热...
作为利用热电效应原理而制成的测温仪器，热电偶由感温元件、毫伏测量仪表及连接导线（铜线及补偿导线）所组成，因其热电势E只是被测量温度t的函数，用仪表测得E的数值后，即可知道被测温度的大小。由于热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，测量精度高、范围广，用起来非常方便。常用的热电偶从-50℃～ 1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃(如金铁镍铬)，最高可达 2800℃(如钨-铼)。本文通过介绍ADI提供的两种信号调理解决方案，从不同角度详解如何使热电偶测温变得更简单灵活且精确。
测温原理很简单，测准却很难
热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成，相连端称为测量 ("热") 接合点。金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线，它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做 参考 ("冷") 接合点。
热电偶基本结构示意图
将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数并不是件轻松的事情，其原因包括电压信号太弱，温度电压关系呈非线性，需要参考接合点补偿，且热电偶可能引起接地问题等。
例如最常见的热电偶类型有J、K和T型。在室温下，其电压变化幅度分别为52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C，其它较少见的类型温度电压变化幅度甚至更小。这种微弱的信号在模数转换前需要较高的增益级，因为电压信号微弱，信号调理电路一般需要约100左右的增益，这是相当简单的信号调理。更棘手的事情是如何识别实际信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长，经常穿过电气噪声密集环境，引线上的噪声可轻松淹没微弱的热电偶信号。
另一方面，要获得精确的绝对温度读数，必须知道热电偶参考接合点的温度。参考接合点温度需要使用另一种温度敏感器件来测量——一般为IC、热敏电阻、二极管或RTD（电阻温度测量器），然后对热电偶电压读数进行补偿以反映参考接合点温度。必须尽可能精确地读取参考接合点—将精确温度传感器保持在与参考接合点相同的温度，任何读取参考接合点温度的误差都会直接反映在最终热电偶读数中。
此外，温度电压关系呈非线性、热电偶可能引起接地问题等都使得热电偶信号调理比其它温度测量系统的信号调理更复杂，信号调理设计和调试所需的时间可能会延长产品的上市时间，信号调理部分产生的误差同样可能会降低精度，尤其在参考接合点补偿段。
解决方案一：
将参考接合点补偿和信号调理集成在一个模拟IC内
下图为K型热电偶测量示意图，它使用了AD8495/AD8494热电偶放大器，此类放大器专门设计用于测量K型热电偶。这种模拟解决方案为缩短设计时间而优化，它的信号链比较简洁，不需要任何软件编码。
用于测量K型热电偶而优化的信号链设计
AD8495热电偶放大器的框图中，放大器A1、A2和A3（及所示电阻）一道形成一个仪表放大器，它使用恰好产生5 mV/°C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出进行放大。在标记"Ref junction compensation"（参考接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。在测量接合点温度保持稳定的条件下，如果参考接合点温度由于任何原因而上升，来自热电偶的差分电压就会降低。如果微型封装的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495接近参考接合点的热区域，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大器内，这样输出电压保持恒定，从而对参考温度变化进行补偿。
AD8495功能框图
与AD8495类似，热电偶放大器AD8494内置一个片内温度传感器，一般用于冷结补偿，将热电偶输入端接地，该器件便可用作一个独立的摄氏温度计。在这种配置中，放大器在片内仪表放大器的输出引脚与参考引脚之间产生5 mV/°C的输出电压。然而，现在参考引脚由运算放大器AD8538（配置为单位增益跟随器）驱动，因此5 mV/°C电压出现在R1两端。流经R1的电流也会流经R2，从而在该串联组合两端产生一个温度相关的电压，其大小为(R1 R2)/R1乘以R1两端的电压。利用图中所示的值，可以得出输出电压以20 × 5 mV/°C = 100 mV/°C的幅度改变，因此20°C温度变化将产生2 V的输出电压变化。新系统的分辨率为0.05°C/LSB，比原电路提高20倍。AD8538缓冲该电阻网络，以低阻抗驱动参考引脚，从而保持良好的共模抑制性能和增益精度。
基于AD8494的高分辨率温度测量系统参考
解决方案二
将参考接合点补偿和信号调理独立开来
下图显示为高精度测量J、K或T型热电偶的示意图，此电路包括一个小信号热电偶电压测量用的高精度ADC，和一个参考接合点温度测量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个外部微处理器使用SPI接口进行控制。 为精度和灵活性而优化的信号链系统
该系统通过使用AD7793这一高精度、低功耗模拟前端来测量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波后连接到一组差分输入AIN1( )和AIN1(–)。信号然后依次经过一个多路复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器（放大热电偶小信号）发送到一个ADC，它将该信号转换为数字信号，能够消除噪声并放大电压。
ADT7320则在充分靠近参考接合点放置时在–10°C至 85°C温度范围内参考接合点温度测量精度可达到±0.2°C。片上温度传感器产生与绝对温度成正比的电压，该电压与内部基准电压相比较并输入至精密数字调制器。该调制器输出的数字化结果不断刷新一个16位温度值寄存器。然后通过SPI接口从微处理器回读温度值寄存器，并结合ADC的温度读数一起实现补偿。不同于传统的热敏电阻或RTD传感器测量，它既不需要在电路板装配后进行高成本的校准步骤，也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或内存资源。其功耗只有数毫瓦，避免了降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。
本文小结
热电偶可以用于高精度的温度测量，但对设计工程师来说却很棘手，需要通过坚实的电路设计和校准来优化测量精度。本文提供的第一种方案将参考接合点补偿和信号调理集成在一个模拟IC AD8495/AD8494内，使用更简便；第二种方案则将参考接合点补偿和信号调理独立开来，基于AD7793这一高精度、低功耗模拟前端，使数字输出温度感应更灵活、更精确。极端高温气候频出，恶劣环境下的电子产品如何“存活”？
测温原理很简单，测准却很难
热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成，相连端称为测量 ("热") 接合点。金属线不相连的另一头接到信号调理电路走线，它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做 参考 ("冷") 接合点。
热电偶基本结构示意图将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数并不是件轻松的事情，其原因包括电压信号太弱，温度电压关系呈非线性，需要参考接合点补偿，且热电偶可能引起接地问题等。
例如最常见的热电偶类型有J、K和T型。在室温下，其电压变化幅度分别为52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C，其它较少见的类型温度电压变化幅度甚至更小。这种微弱的信号在模数转换前需要较高的增益级，因为电压信号微弱，信号调理电路一般需要约100左右的增益，这是相当简单的信号调理。更棘手的事情是如何识别实际信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长，经常穿过电气噪声密集环境，引线上的噪声可轻松淹没微弱的热电偶信号。
另一方面，要获得精确的绝对温度读数，必须知道热电偶参考接合点的温度。参考接合点温度需要使用另一种温度敏感器件来测量——一般为IC、热敏电阻、二极管或RTD（电阻温度测量器），然后对热电偶电压读数进行补偿以反映参考接合点温度。必须尽可能精确地读取参考接合点—将精确温度传感器保持在与参考接合点相同的温度，任何读取参考接合点温度的误差都会直接反映在最终热电偶读数中。
此外，温度电压关系呈非线性、热电偶可能引起接地问题等都使得热电偶信号调理比其它温度测量系统的信号调理更复杂，信号调理设计和调试所需的时间可能会延长产品的上市时间，信号调理部分产生的误差同样可能会降低精度，尤其在参考接合点补偿段。
解决方案一：
将参考接合点补偿和信号调理集成在一个模拟IC内
下图为K型热电偶测量示意图，它使用了AD8495/AD8494热电偶放大器，此类放大器专门设计用于测量K型热电偶。这种模拟解决方案为缩短设计时间而优化，它的信号链比较简洁，不需要任何软件编码。
用于测量K型热电偶而优化的信号链设计AD8495热电偶放大器的框图中，放大器A1、A2和A3（及所示电阻）一道形成一个仪表放大器，它使用恰好产生5 mV/°C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出进行放大。在标记"Ref junction compensation"（参考接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。在测量接合点温度保持稳定的条件下，如果参考接合点温度由于任何原因而上升，来自热电偶的差分电压就会降低。如果微型封装的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495接近参考接合点的热区域，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大器内，这样输出电压保持恒定，从而对参考温度变化进行补偿。
AD8495功能框图与AD8495类似，热电偶放大器AD8494内置一个片内温度传感器，一般用于冷结补偿，将热电偶输入端接地，该器件便可用作一个独立的摄氏温度计。在这种配置中，放大器在片内仪表放大器的输出引脚与参考引脚之间产生5 mV/°C的输出电压。然而，现在参考引脚由运算放大器AD8538（配置为单位增益跟随器）驱动，因此5 mV/°C电压出现在R1两端。流经R1的电流也会流经R2，从而在该串联组合两端产生一个温度相关的电压，其大小为(R1 R2)/R1乘以R1两端的电压。利用图中所示的值，可以得出输出电压以20 × 5 mV/°C = 100 mV/°C的幅度改变，因此20°C温度变化将产生2 V的输出电压变化。新系统的分辨率为0.05°C/LSB，比原电路提高20倍。AD8538缓冲该电阻网络，以低阻抗驱动参考引脚，从而保持良好的共模抑制性能和增益精度。
基于AD8494的高分辨率温度测量系统参考解决方案二
将参考接合点补偿和信号调理独立开来
下图显示为高精度测量J、K或T型热电偶的示意图，此电路包括一个小信号热电偶电压测量用的高精度ADC，和一个参考接合点温度测量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个外部微处理器使用SPI接口进行控制。
为精度和灵活性而优化的信号链系统该系统通过使用AD7793这一高精度、低功耗模拟前端来测量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波后连接到一组差分输入AIN1( )和AIN1(–)。信号然后依次经过一个多路复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器（放大热电偶小信号）发送到一个ADC，它将该信号转换为数字信号，能够消除噪声并放大电压。
ADT7320则在充分靠近参考接合点放置时在–10°C至 85°C温度范围内参考接合点温度测量精度可达到±0.2°C。片上温度传感器产生与绝对温度成正比的电压，该电压与内部基准电压相比较并输入至精密数字调制器。该调制器输出的数字化结果不断刷新一个16位温度值寄存器。然后通过SPI接口从微处理器回读温度值寄存器，并结合ADC的温度读数一起实现补偿。不同于传统的热敏电阻或RTD传感器测量，它既不需要在电路板装配后进行高成本的校准步骤，也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或内存资源。其功耗只有数毫瓦，避免了降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。
本文小结
热电偶可以用于高精度的温度测量，但对设计工程师来说却很棘手，需要通过坚实的电路设计和校准来优化测量精度。本文提供的第一种方案将参考接合点补偿和信号调理集成在一个模拟IC AD8495/AD8494内，使用更简便；第二种方案则将参考接合点补偿和信号调理独立开来，基于AD7793这一高精度、低功耗模拟前端，使数字输出温度感应更灵活、更精确。
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