集成放大器冷结补偿的热电偶温度测量系统

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的热电偶信号调理电路，带有冷结补偿功能并后接一个16位∑-△型模数转换器(ADC)。AD8495热电偶放大器为测量K型热电偶温度供应了一种简单的低成本解决方法，且包含冷结补偿功能。

AD8495中的固定增益仪表放大器可放大热电偶的小电压，以供应5mV/°C输出。该放大器具有高共模抑制性能，能够抑制热电偶的长引线可能会拾取的共模噪声。如需额外保护，该放大器的高阻抗输入端允许轻松添加额外的滤波措施。

AD8476差分放大器供应正确的信号电平和共模电压，以驱动AD779016位Σ-型ADC。

该电路为热电偶信号调理和高分辨率模数转换供应了一种紧凑的低成本解决方法。

图1.集成冷结补偿的K型热电偶测量系统(原理示意图：未显示所有连接)

电路描述

热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件。它由两种异质金属的连接结组成。这些金属在一端相连，形成测量结，也称为热结。热电偶的另一端连接到与测量电子装置相连的金属线。这种连接形成了第二个结——基准结，也称为冷结。为了得出测量结的温度(TMJ)，用户必须了解热电偶所出现的差分电压。用户还必须了解基准结温(TRJ)所出现的误差电压。补偿基准结温误差电压称为冷结补偿。为使输出电压精确地代表热结测量结果，电子装置必须补偿基准(冷)结温的任何变化。

该电路使用AD8495热电偶放大器，并采用单个5V电源供电。AD8495的输出电压针对5mV/°C校准。采用5V单电源时，输出在大约75mV和4.75V之间保持线性，对应于15°C至950°C的温度范围。AD8495的输出驱动AD8476单位增益差分放大器的同相输入端，该放大器则将单端输入转换为差分输出，用于驱动AD779016位Σ-型ADC。

AD8495输入端之前的低通差分和共模滤波器可消除RF信号，假如任由其到达AD8495，它可能会被整流，表现为温度波动。两个100Ω电阻和一个1F电容构成一个截止频率为800Hz的差分滤波器。两个0.01nF电容构成一个截止频率为160kHz的共模滤波器。AD8476差分放大器的输出端在信号施加于AD7790ADC之前使用了一个类似的滤波器。

AD8495输入可保护器件不受最高超出对侧供电轨25V的输入电压偏移的影响。例如，在该电路中，正供电轨为5V而负供电轨接地时，器件可以安全地承受-20V至+25V的输入电压。基准引脚和检测引脚处的电压不得超出供电轨0.3V以上。此特性对存在电源时序控制问题的应用特别重要，这类问题可导致信号源在施加放大器电源之前活动。

该系统的理论分辨率可根据AD8495的带宽、电压噪声密度和增益来计算得出。峰峰值(无噪声码)分辨率(单位为位)为：

AD8476是一款功耗极低的全差分精密放大器，集成了用于单位增益的薄膜激光调整型10kΩ增益电阻。它是此类应用的理想之选，因为它能够防止在AD8495上施加相对较高的阻抗负载。

AD7790是一款适合低频测量应用的低功耗、完整模拟前端，内置一个低噪声16位∑-△ADC，其中有一个可配置为缓冲或无缓冲模式的差分输入端。

测试结果

衡量该电路性能的一个重要指标是线性误差量。在-25°C至+400°C范围内，AD8495的输出精度在2°C以内。在此范围以内或以外工作时，要实现更高的精度，必须在软件中执行一种线性校正算法。CN-0271评估软件使用NIST热电电压查找表来确保15°C至950°C范围内输出误差在1°C以内。

图2将AD8495与CN-0271系统的性能进行了比较，并显示了对ADC输出进行线性化校正后的结果。有关如何在软件中执行此算法的详情，请参见AN-1087应用笔记使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497时的热电偶线性化。

图2.AD8495输出误差、CN-0271电路总误差图2.AD8495输出误差、CN-0271电路总误差以及热电偶非线性校正后的CN-0271电路总误差

系统的噪声性能对电路的精度也很重要。图3显示了1,000个测量样本的直方图。该数据是利用连接到EVAL-SDp-CB1Z系统演示平台(SDp-B)评估板的CN-0271评估板获得的。有关设置详情，请参见电路评估与测试部分。

测得的峰峰值噪声约为6LSB(1LSB=4.9V÷65536=74.8V)，对应于0.449mVp-p和13.4位的无噪声分辨率。