?熱電偶信號調節器和冷端附近的信號調節

通過(guò)示例產(chǎn)品如AD594/AD595、MAX6675和ADS1220，了解單片熱電偶信號調節器和信號調節。

在本系列的前文中，我們介紹了單片熱電偶信號調節器的工作原理。本文將進(jìn)一步討論熱電偶應用的其他幾種選擇，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節器。例如，所有這些信號調節器都應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備的。

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

熱電偶信號調節器示例1—AD594/AD595

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

AD594/AD595 結構圖。

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之間的內部電阻器組成的反饋回路。左側差分對放大熱電偶電壓，并將其應用于反饋回路中的求和節點(diǎn)?！氨c(diǎn)補償”塊產(chǎn)生冷端補償（CJC）電壓，并通過(guò)右側差分對將其添加到熱電偶回路中。

您可以在A(yíng)D594/AD595數據表中找到有關(guān)該電路工作原理的詳細信息。無(wú)需進(jìn)一步了解這些細節，最終結果是該設備旨在直接連接到熱電偶，執行冷端補償和放大，并產(chǎn)生10 mV/°C的輸出。例如，當熱電偶連接到AD594時(shí)，輸出約為500 mV，熱端溫度為50°C。

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

AD594/AD595中的負溫度測量

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

AD594/AD595增益校準

AD594/AD595的一個(gè)有趣特性是，內部電路的某些重要節點(diǎn)可在封裝引腳上找到。例如，引腳8連接到設備的內部反饋路徑。此外，引腳3和5上可找到應用于右側差分放大器的CJC電壓。將這些節點(diǎn)放在封裝引腳上，可讓我們擁有更靈活的信號調節器，可根據應用要求進(jìn)行調整。

記住這一點(diǎn)，我們來(lái)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置設備增益的內部反饋電阻器。內部反饋網(wǎng)絡(luò )在出廠(chǎng)前已校準，可產(chǎn)生10 mV/°C的輸出。然而，為了調整增益，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)外部電阻器將與內部反饋電阻器并聯(lián)，從而可以調整放大器增益。我們甚至可以通過(guò)斷開(kāi)引腳9和8之間的連接，用外部電阻器替換內部電阻器。

圖2展示了通過(guò)調整反饋電阻器進(jìn)行增益校準。

通過(guò)調整反饋電阻器進(jìn)行增益校準的示意圖。

圖2:通過(guò)調整反饋電阻器進(jìn)行增益校準的示意圖。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(lái)，讓我們考慮以下溫度標度轉換的方程：

根據這個(gè)方程，我們可以驗證需要增加增益

 $\frac{9}{5}$（以及添加適當的偏移值）以使輸出以10 mV/°F的速度變化，而不是出廠(chǎng)校準的10 mV/°C值。

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

上圖通過(guò)在引腳9和引腳8之間放置一個(gè)微調電位器來(lái)實(shí)現這一點(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：

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

AD594/AD595 偏移校準

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

圖表顯示了一種執行偏移校準的方法。

圖3. 執行偏移校準的一種方法的示意圖。圖像由模擬設備公司提供

在消除設備殘余校準誤差時(shí)，這尤其有用。AD594/AD595是一種激光晶圓修整，可實(shí)現最大校準誤差為1°C或3°C，具體取決于設備性能等級。在要求較高的應用中，可以使用上圖來(lái)消除這種殘余誤差。15 MΩ電阻器略微增加了右側差分放大器反相輸入端的電位。這迫使電路具有約-3°C的負偏移?！皬娭啤必撈迫缓笸ㄟ^(guò)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。這種校準方案確?？梢允褂脝未螁蜗蛐拚麃?lái)消除誤差。您可以在圖2中看到另一個(gè)偏移校準示例。

其他熱電偶類(lèi)型的溫度調整

除了調整增益和偏置外，還可以調整內部冷端補償器的溫度系數。這使我們能夠將AD594/AD595與其他類(lèi)型的熱電偶一起使用。例如，數據表解釋了如何將出廠(chǎng)校準為J型熱電偶的AD594重新校準為E型熱電偶。

熱電偶信號調節器示例2—MAX6675

熱電偶信號調理的另一種選擇是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（模擬到數字轉換器）和冷端補償器集成到一個(gè)封裝中。它可以直接連接到K型熱電偶，如圖5所示。

示例應用電路圖。

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

該設備可以測量0°C至1024°C（注意，它不能測量負溫度）的寬范圍熱結溫度。冷結溫度或MAX6675的工作溫度應在-20°C至+85°C的范圍內。

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

熱電偶信號調節器示例3—ADS1220

作為第三種熱電偶調節器選項，我想提到的是，除了使用帶有集成冷端補償器的設備外，您還可以使用包含內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，可用于測量設備溫度以進(jìn)行CJC（冷端溫度補償）目的。ADS1220無(wú)法自動(dòng)執行冷端溫度補償；但是，可以在A(yíng)DC之后的處理器中完成。例如，如果由于精度有限或無(wú)法將ADC放置在冷端附近而無(wú)法使用內部溫度傳感器，則可以使用RTD或熱敏電阻來(lái)測量冷端溫度。但是，這將消耗ADC的額外輸入通道。