熱電偶溫度測量系統(tǒng)電路圖，耗用電流低于500μA

時間：2019-01-03 12:40:01

關鍵字：溫度測量熱電偶電源技術解析

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[導讀]　　電路功能與優(yōu)勢　　圖1所示電路是一個基于24位Σ-Δ型ADC AD7793 的完整熱電偶系統(tǒng)。AD7793是一款適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置PGA、基準電

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一個基于24位Σ-Δ型ADC AD7793 的完整熱電偶系統(tǒng)。AD7793是一款適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置PGA、基準電壓源、時鐘和激勵電流，從而大大簡化了熱電偶系統(tǒng)設計。系統(tǒng)峰峰值噪聲約為0.02°C。

　　AD7793的最大功耗僅500 μA，因而適合低功耗應用，例如整個發(fā)送器的功耗必須低于4 mA的智能發(fā)送器等。AD7793還具有關斷選項。在這種模式下，整個ADC及其輔助功能均關斷，器件的最大功耗降至1 μA。

　　AD7793提供一種集成式熱電偶解決方案，可以直接與熱電偶接口。冷結補償由一個熱敏電阻和一個精密電阻提供。該電路只需要這些外部元件來執(zhí)行冷結測量，以及一些簡單的R-C濾波器來滿足電磁兼容性（EMC）要求。

　　圖1. 帶冷結補償?shù)臒犭娕紲y量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

　　電路描述

　　本電路使用T型熱電偶。該熱電偶由銅和康銅構成，溫度測量范圍為?200°C至+400°C，產(chǎn)生的溫度相關電壓典型值為40 μV/°C。

　　熱電偶的傳遞函數(shù)不是線性的。在0°C至+60°C的溫度范圍，其響應非常接近線性。但是，在更寬的溫度范圍內(nèi)，必須使用一個線性化程序處理。

　　測試電路不包括線性化功能，因此，本電路的有用測量范圍是0°C到+60°C。在該溫度范圍內(nèi)，熱電偶產(chǎn)生0 mV至2.4 mV的電壓。內(nèi)部1.17 V基準電壓用于熱電偶轉換。因此，AD7793的增益配置為128。

　　AD7793采用單電源供電，熱電偶產(chǎn)生的信號必須被偏置到地以上，從而處于該ADC支持的范圍。對于128倍的增益，模擬輸入端的絕對電壓必須在GND + 300 mV至AVDD – 1.1 V范圍內(nèi)。

　　AD7793片上集成的偏置電壓發(fā)生器偏置熱電偶信號，使其共模電壓為AVDD/2，確保以相當大的裕量滿足輸入電壓限值要求。

　　熱敏電阻在+25°C時的值為1 kΩ，0°C時的典型值為815 Ω，+30°C時的典型值為1040 Ω。假設0°C至30°C的傳遞函數(shù)為線性，則冷結溫度與熱敏電阻R之間的關系為：

　　冷結溫度 = 30 × （R – 815）/（1040 – 815）

　　AD7793的1 mA激勵電流用于為熱敏電阻和2 kΩ精密電阻供電?；鶞孰妷豪迷? kΩ外部精密電阻產(chǎn)生。這種架構提供一種比率式配置，激勵電流用于為熱敏電阻供電，并產(chǎn)生基準電壓。因此，激勵電流值的偏差不會改變系統(tǒng)的精度。

　　對熱敏電阻通道進行采樣時，AD7793以1倍的增益工作。對于+30°C的最大冷結溫度，熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓為1 mA × 1040 Ω = 1.04 V。

　　熱敏電阻的選擇條件是：熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓乘以PGA增益的結果小于或等于精密電阻上產(chǎn)生的電壓。

　　對于ADC_CODE的轉換值，相應的熱敏電阻值R等于：

　　R = （ADC_CODE – 0x800000） × 2000/223

　　還需要考慮AD7793 IOUT1引腳的輸出順從電壓。使用1 mA激勵電流時，輸出順從電壓等于AVDD – 1.1 V。從上述計算可知，電路滿足這一要求，因為IOUT1的最大電壓等于精密電阻上的電壓加上熱敏電阻上的電壓，等于2 V + 1.04 V = 3.04 V。　　AD7793以16.7 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率工作。每讀取10個熱電偶轉換結果，就讀取1個熱敏電阻轉換結果。相應的溫度等于：

　　溫度 = 熱電偶溫度 + 冷結溫度

　　AD7793的轉換結果由模擬微控制器ADuC832 處理，所得的溫度顯示在LCD顯示器上。

　　該熱電偶設計采用6 V（2節(jié)3 V鋰電池）電池供電。一個二極管將6 V電壓降至適合AD7793和模擬微控制器ADuC832的電平。ADuC832電源與AD7793電源之間有一個RC濾波器，用以降低進入AD7793的電源數(shù)字噪聲。

　　圖2顯示了T型熱電偶上產(chǎn)生的電壓與溫度的關系。圓圈內(nèi)的區(qū)域是從0°C到+60°C，該區(qū)域內(nèi)的傳遞函數(shù)接近線性。

　　圖2. 熱電偶電動勢與溫度的關系

　　當系統(tǒng)處于室溫時，熱敏電阻應指示室溫的值。熱敏電阻指示的是相對于冷結溫度的相對溫度，即冷結（熱敏電阻）與熱電偶的溫差。因此，在室溫時，熱電偶應指示0°C。。

　　如果將熱電偶放在一個冰桶中，熱敏電阻仍舊測量環(huán)境（冷結）溫度。熱電偶應指示熱敏電阻值的負值，使得總溫度等于0。

　　最后，對于16.7 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率和128倍的增益，AD7793的均方根噪聲等于0.088 μV。峰峰值噪聲等于：

　　6.6 × 均方根噪聲 = 6.6 × 0.088 μV = 0.581 μV

　　如果熱電偶的靈敏度恰好為40 μV/°C，則熱電偶的溫度測量分辨率為：

　　0.581 μV ÷ 40 μV = 0.014°C

　　圖3所示為實際的測試板。系統(tǒng)評估如下：分別在室溫時以及將熱電偶放入冰桶的情況下，測量熱敏電阻溫度、熱電偶溫度和分辨率。結果如表1所示。