熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的簡單元件，是工業應用中最常用的溫度測量傳感器之一，具有成本低、堅固耐用、可重復性好，并具有很寬的工作溫度范圍和快速響應時間，尤其適合高溫測量，例如C型熱電偶最高可測量2300℃的溫度，適用于如鍋爐、熱水器、烤箱和風機引擎等。

圖1：包括測量結和參考結的熱電偶連接

熱電偶一端放置在需要進行溫度測量的地方，稱為測量結。?熱電偶的另一端連接精密電壓測量單元，該連接稱為參考結，或者稱為冷結。?測量結和冷結之間的溫差產生一個電壓，其值與兩個結點之間的溫差成比例。?該溫差產生的信號通常為數微伏至數十毫伏不等，具體取決于溫度差值。本文簡單介紹了利用熱電偶進行設計的過程中常見的挑戰，并提出基于ADI公司的信號調理解決方案的熱電偶電路設計。

良好的測溫電路需要解決這些挑戰

與眾多傳感信號檢測電路設計一樣，將熱電偶產生的電壓變換成精確的溫度讀數面臨諸多挑戰，因為熱電偶電壓很小，溫度與電壓不是線性關系，而且還必須準確測量冷結溫度。

電壓信號太弱:最常見的熱電偶類型有J、K和T型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號在模數轉換前需要較高的增益級。

因為電壓信號微弱，信號調理電路一般需要約100左右的增益，盡管這本身并不具備挑戰性，但更棘手的事情是如何識別實際信號和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長，經常穿過電氣噪聲密集環境。引線上的噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號。

一般結合兩種方案來從噪聲中提取信號。第一種方案使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來放大信號。因為大多數噪聲同時出現在兩根線上(共模)，差分測量可將其消除。第二種方案是低通濾波，消除帶外噪聲。低通濾波器應同時消除可能引起放大器整流的射頻干擾（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz(電源)?工頻干擾。在放大器前面放置一個射頻干擾濾波器（或使用帶濾波輸入的放大器）十分重要。50Hz/60Hz濾波器的位置無關緊要—它可以與RFI濾波器組合放在放大器和ADC之間，作為∑-Δ ADC濾波器的一部分，或可作為均值濾波器在軟件內編程。

電壓信號非線性是需要解決的另外一個挑戰。熱電偶響應曲線的斜率隨溫度而變化。例如，在0°C時，T型熱電偶輸出按39 μV/°C變化，但在100°C時斜率增加至47 μV/°C。

有三種常見的方法來對熱電偶的非線性進行補償。選擇曲線相對較平緩的一部分并在此區域內將斜率近似為線性，這是一種特別適合于有限溫度范圍內測量的方案，這種方案不需要復雜的計算。K和J型熱電偶比較受歡迎的諸多原因之一是它們同時在較大的溫度范圍內靈敏度的遞增斜率（塞貝克系數）保持相當恒定。

第二種方法是將查找表存儲在內存中，查找表中每一組熱電偶電壓與其對應的溫度相匹配。然后，使用表中兩個最近點間的線性插值來獲得其它溫度值。第三種方案使用高階等式來對熱電偶的特性進行建模。這種方法雖然最精確，但計算量也最大。每種熱電偶有兩組等式。一組將溫度轉換為熱電偶電壓（適用于參考接合點補償）。另一組將熱電偶電壓轉換成溫度。

熱電偶電路設計還可能遇到有其他挑戰，例如如何盡可能精確地讀取參考接合點—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點相同的溫度，任何讀取參考接合點溫度的誤差都會直接反映在最終熱電偶讀數中。此外，設計熱電偶信號調理時應在測量接地熱電偶時避免接地回路，還要在測量絕緣熱電偶時具有一條放大器輸入偏壓電流路徑。這里不再贅述。

基于24位Σ-Δ型ADC的全集成式熱電偶測量系統

圖2.?AD7124-4/AD7124-8熱電偶測量配置，包括RTD冷結補償

T型熱電偶的靈敏度約為40?μV/℃，是工業測溫應用中常見的溫度傳感器，可測量?200℃至+400℃的溫度，輸出范圍約?8.6 mV至+17.2 mV。圖2所示電路采用T型熱電偶，利用AD7124-8的集成PGA，可以輕松檢測熱電偶的小電壓并將其精確轉換為數字信號。?在一個較小范圍（0℃至60℃）內，熱電偶響應接近線性。?

為了在寬溫度范圍內實現精確測量，必須對實測值應用線性化處理，確保獲得準確的溫度值。此外，對于信號鏈而言，重要的是對熱電偶保持較高的阻抗和較低的漏電流，以便實現最高精度。

AD7124-8提供集成式熱電偶測量解決方案，可實現高分辨率、低非線性度誤差和低噪聲性能，以及極高的50 Hz/60 Hz抑制能力。該器件片內集成低噪聲PGA，可放大熱電偶的小信號，增益編程范圍為1到128，因而可以直接與傳感器接口。?增益級具有高輸入阻抗，輸入漏電流在全功率模式下不超過3.3 nA，在低功耗模式下為1 nA（典型值）。下面說明基于AD7124-8開發熱電偶溫度測量系統所用的不同元件，例如電源、外設接口等。

AD7124-8具有單獨的模擬電源和數字電源。?數字電源IOVDD獨立于模擬電源，可以為1.65 V至3.6 V范圍內的值（以DGND為基準）。?模擬電源AVDD以AVSS 為基準，范圍是2.7 V到3.6 V（低功耗模式和中功率模式）或2.9 V至3.6 V（全功率模式）。?圖2所示電路采用單電源供電，因此AVSS與DGND相連，僅使用一個接地層。AVDD和IOVDD電壓利用低壓差穩壓器ADP1720分別產生。AVDD電壓設置為3.3 V，IOVDD電壓設置為1.8 V，采用ADP1720穩壓器。?使用單獨的穩壓器可確保噪聲最低。

AD7124-8可配置為8個差分或15個偽差分輸入通道。AD7124-8的片內診斷功能可用來檢查模擬引腳上的電平是否在額定工作范圍以內。正(AINP)和負(AINM)模擬輸入可以單獨檢查是否發生過壓和欠壓，以及ADC是否飽和。?當模擬輸入上的電壓超過AVDDSS時，欠壓標志就會置1。對于圖2所示電路，使用兩個模擬輸入引腳來連接熱電偶（AIN2、AIN3），需要三個模擬引腳來進行冷結補償（AIN1、AIN6、AIN7）。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于測量熱電偶產生的電壓。?對于本電路，如圖2所示，熱電偶是浮空的。要將熱電偶偏置到已知電平，AIN2上使能VBIAS電壓發生器。

熱電偶測量是絕對測量，因而需要一個基準電壓源，使用AD7124-8內置2.5 V基準電壓源。針對冷結補償，一個激勵電流源用于激勵RTD。?此電流從AVDD產生，流向AIN1。對于本電路，冷結電路采用基準輸入REFIN1(±)。?流經4線RTD（用于冷結測量）的電流也會流過精密基準電阻，產生基準電壓。?此精密基準電阻上產生的電壓與RTD上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動會被消除。

另外值得一提的是濾波器。為了抑制調制器頻率及其倍數處的干擾，必須使用這種濾波。差分濾波器（截止頻率約為800 Hz）和共模濾波器（截止頻率約為16 kHz）在模擬輸入端和基準輸入端實現。AD7124-4/AD7124-8在片內數字濾波方面擁有很大的靈活性。有多種濾波器選項可用，所選的濾波器會影響輸出數據速率、建立時間和50 Hz/60 Hz抑制性能。圖2中電路可以實現sinc4濾波器和后置濾波器，在整個輸出數據速率范圍內具有出色的噪聲性能，另外還有出色的50 Hz/60 Hz抑制性能。?后置濾波器用于提供50 Hz和60 Hz同時抑制，建立時間為40 ms。

本文小結

熱電偶已成為在合理精度內高性價比測量寬溫度范圍的工業標準方法，熱電偶在相當寬的溫度范圍內提供穩定可靠的溫度測量，本文提出基于AD7124-8/AD7124-4）解決這些問題的方案，AD7124-8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。?該器件內置一個低噪聲24位Σ-Δ型ADC，可配置為提供8個差分輸入或15個單端或偽差分輸入。該方案具有低功耗、精密的全集成優勢，是一款高性價比方案。

編輯：黃飛

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