簡介

　　熱電偶是使用廣泛的溫度測量器件之一。無論是工業(yè)、商業(yè)還是科研應(yīng)用，熱電偶都能在許多寬溫度范圍環(huán)境下提供、高性價比的溫度測量解決方案。然而，熱電偶的基本工作原理常常遭到誤解，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的測量誤差。本應(yīng)用筆記將回顧熱電偶的基礎(chǔ)知識，并且說明使用單芯片IC AD594/AD595的熱電偶信號調(diào)理電路設(shè)計。

　　回顧基礎(chǔ)

　　熱電偶的基本原理于1821年由托馬斯·塞貝克發(fā)現(xiàn)。讓兩種異質(zhì)金屬的兩端相接合，并且在一端加熱時，所形成的環(huán)路中將產(chǎn)生電流。如果在中心位置斷開環(huán)路，將產(chǎn)生與兩結(jié)溫差成正比的開路電壓（即"塞貝克電壓"）。因此，要確定測量結(jié)的溫度，必須知道參考結(jié)的溫度。

　　冰池可為參考結(jié)提供明確定義的0°C溫度，它已成為許多金屬組合的熱電偶輸出電壓與溫度關(guān)系表的標(biāo)準(zhǔn)參考點。

　　這些組合已由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（前身為美國國家標(biāo)準(zhǔn)局）測定并分類，下表列出了一些常用熱電偶的類型、組成和特性。

表I. 熱電偶特性

　　通常使用電壓表來測量塞貝克電壓，然而，將其與熱電偶相連時必須特別小心。參考圖1c,熱電偶與電壓表的連接處形成了兩個額外結(jié)J2和J3,這兩結(jié)會在熱電偶環(huán)路中產(chǎn)生相反的電壓。在連接點處使用一個等溫塊，使這些結(jié)保持熱均衡，產(chǎn)生相同但相反的電動勢。這樣，測得的電壓將等于測量結(jié)與用作參考結(jié)的等溫塊之間的電位差。

圖1a. 熱電偶環(huán)路

圖1b. 冰點基準(zhǔn)

圖1c. 利用電壓表測量熱電偶電壓

圖1d. 冷結(jié)補償

　　實用熱電偶測量

　　對于大多數(shù)應(yīng)用，使用冰池提供參考結(jié)溫度并不現(xiàn)實。通過補償參考結(jié)產(chǎn)生的電壓，可以不使用冰點基準(zhǔn)。這可以通過向熱電偶環(huán)路增加一個電壓來實現(xiàn)，該電壓等于參考結(jié)的電壓，但方向相反。AD594/AD595系列熱電偶信號調(diào)理IC就內(nèi)置這樣一個電路，它不僅提供冷結(jié)補償，而且提供放大和熱電偶開路檢測功能。

　　AD594/AD595電路描述

　　圖2為熱電偶信號調(diào)理IC AD594/AD595的功能框圖。J型（用于AD594）或K型（用于AD595）熱電偶連接到儀表放大器差分級的輸入引腳1和引腳14,該輸入放大器內(nèi)置于一個以本地溫度作為基準(zhǔn)的環(huán)路中。IC也處于本地溫度，冰點補償電路產(chǎn)生一個電壓，它等于以本地溫度為基準(zhǔn)的熱電偶環(huán)路的偏差。然后將該電壓施加于第二前置放大器，其輸出與輸入放大器的輸出相加，所得到的輸出再施加于主輸出放大器的輸入，并通過反饋設(shè)置合并信號的增益。冰點補償電壓經(jīng)調(diào)整，與一個以冰池為基準(zhǔn)的IC溫度測量熱電偶產(chǎn)生的電壓相等，該電壓然后與以本地溫度為基準(zhǔn)的環(huán)路電壓相加，所得即為相對于冰點的環(huán)路電壓。

圖2. AD594/AD595功能框圖

　　在反饋路徑中，主放大器的輸入保持平衡。如果熱電偶損壞或器件輸入端開路，這些輸入將變得不平衡，IC就會檢測到故障；過載檢測電路驅(qū)動一個限流n-p-n晶體管，可以將其連接為報警電路。

　　雖然這些IC專門針對J型或K型熱電偶進行了校準(zhǔn)，但經(jīng)過重新校準(zhǔn)，也可以用于其他類型熱電偶。這些IC具有連接到內(nèi)部溫度控制電壓和反饋節(jié)點的引腳，可用于執(zhí)行重新校準(zhǔn)。

　　AD594/AD595輸出電壓解讀

　　為產(chǎn)生10 mV/°C的溫度比例輸出，以及在額定工作溫度范圍內(nèi)提供一個的參考結(jié)，AD594/AD595的增益在工廠進行過調(diào)整，與+25°C時J型和K型熱電偶的傳遞特性匹配。在該校準(zhǔn)溫度，J型熱電偶的塞貝克系數(shù)（即給定溫度下熱電壓相對于溫度的變化率）為51.70 μV/°C,K型為40.44 μV/°C.要實現(xiàn)10 mV/°C輸出，AD594的增益需設(shè)置為193.4,AD595的增益需設(shè)置為247.3.雖然器件經(jīng)過調(diào)整，在+25°C提供250 mV輸出，但輸入失調(diào)誤差會帶入輸出放大器中，導(dǎo)致AD594和AD595分別具有16 μV和11 μV的失調(diào)電壓。為了確定AD594/AD595的實際輸出電壓，應(yīng)使用下列方程式：

　　AD594輸出 = （J型電壓 + 16 μV） × 193.4

　　AD595輸出 = （K型電壓 + 11 μV） × 247.3

　　其中，J型和K型電壓來自以0攝氏度為基準(zhǔn)的熱電偶電壓表。

　　必須注意，熱電偶的輸出僅在很窄的溫度范圍內(nèi)是線性的。在寬溫度范圍內(nèi)，塞貝克系數(shù)會引入非線性項。AD594/AD595不提供線性化功能，任何線性化技術(shù)必須在外部執(zhí)行，這將涉及到利用高階多項式計算熱電偶溫度。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院針對不同熱電偶類型提供了多項式系數(shù)表，線性化過程中可以使用。

　　性能優(yōu)化

　　冷結(jié)誤差

　　當(dāng)熱電偶冷結(jié)與器件處于熱均衡時，AD594/AD595能夠?qū)崿F(xiàn)性能。避免在AD594/AD595附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這可能產(chǎn)生冷結(jié)相關(guān)誤差。AD594/AD595的額定環(huán)境溫度范圍為0°C至+50°C,其冷結(jié)補償電壓與熱電偶輸出在此范圍內(nèi)的擬合直線匹配。在此范圍外工作會產(chǎn)生額外誤差。表II列出了各種環(huán)境溫度下的計算誤差。

表II. 各種環(huán)境溫度下的計算誤差

　　電路板布局布線

　　圖3所示的電路板布局（具有可選校準(zhǔn)電阻）在冷結(jié)與AD594/AD595之間實現(xiàn)了熱均衡。封裝溫度與電路板在引腳1和引腳14下通過銅印刷電路板走線進行熱接觸。參考結(jié)由銅-康銅（或銅-鎳鋁）連接和銅-鐵（或銅-鎳鉻）連接構(gòu)成，兩者與IC處于熱均衡狀態(tài)。

圖3. PCB布局布線

　　焊接

　　為將熱電偶焊接到PC走線，需要采用合適的焊接技術(shù)并適當(dāng)?shù)剡M行表面處理。焊接之前應(yīng)清潔熱電偶導(dǎo)線，消除氧化。非腐蝕性焊劑可以與以下焊料一起使用：95%錫-5%銻、95%錫-5%銀或90%錫-10%鉛。

　　偏置電流回路

　　AD594/AD595的輸入儀表放大器需要為其輸入偏置電流提供一個返回路徑，因而不可以是懸空的。如果熱電偶測量結(jié)進行電氣隔離，則IC的引腳1應(yīng)連接到電源公共地引腳4.在某些應(yīng)用中，無法將熱電偶直接連接到公共地。從引腳1到公共地的電阻可提供偏置電流返回路徑，但當(dāng)100 nA偏置電流流過其中時，會產(chǎn)生額外的輸入失調(diào)電壓。如果熱電偶必須在測量結(jié)接地，或者存在一個較小的共模電位，則引腳1與引腳4之間不應(yīng)連接。

　　噪聲抑制

　　檢測熱電偶提供的低電平輸出電壓時，降噪是首要問題。無論是內(nèi)部產(chǎn)生的還是輻射源引起的，噪聲都是限制動態(tài)范圍和分辨率的因素之一。解決噪聲問題涉及到消除噪聲源和/或屏蔽。當(dāng)無法控制或識別噪聲源時，屏蔽更有效。

　　使用長導(dǎo)線熱電偶時，噪聲可能會進入AD594/AD595輸入放大器。為了確定該噪聲路徑是否是元兇，應(yīng)將熱電偶與AD594/AD595斷開連接，并將引腳1和引腳14連接到引腳4,此時AD594/AD595引腳9的輸出電壓將指示環(huán)境溫度（+25°C為250 mV）。如果輸出端（引腳9）的噪聲消失，則需要屏蔽輸入端。屏蔽熱電偶導(dǎo)線（屏蔽體連接到IC的引腳4）能夠有效抑制噪聲。如果輸出中仍然存在噪聲，則噪聲可能是通過電源進入電路，適當(dāng)?shù)碾娫磁月泛腿ヱ羁梢跃徑膺@一狀況。

　　放大信號之前，對熱電偶輸入進行濾波將會衰減噪聲。圖4顯示了一個有效的輸入濾波器，它由一個電阻和一個電容組成，電阻與引腳1串聯(lián)，電容連接在該引腳與地之間。輸入偏置電流流過電阻時會產(chǎn)生失調(diào)電壓。由于反相輸入端（引腳14）的輸入偏置電流隨輸入電壓而變化，因此與此輸入端串聯(lián)的任何電阻都會產(chǎn)生一個輸入相關(guān)的失調(diào)電壓。所以，強烈建議將此引腳直接連接到公共地。此外，當(dāng)熱電偶損壞時，輸入引腳之間的電容會增加報警電路的響應(yīng)時間。

圖4. 輸入濾波

　　添加電容到頻率補償引腳（引腳10）會使AD594/AD595輸出放大器的帶寬滾降，從而限制噪聲。無補償時，3 dB帶寬約為10 kHz.引腳10與引腳11之間連接一個0.1 μF電容時，3 dB點降至120 Hz.然而，這種技術(shù)只有在噪聲未將輸入級驅(qū)動至飽和時才有用。

　　調(diào)整校準(zhǔn)誤差

　　AD594/AD595按性能分為兩種等級，經(jīng)過工廠調(diào)整，其校準(zhǔn)誤差分別為1°C或3°C.對于多數(shù)應(yīng)用，這一誤差范圍是可以接受的。但是，通過增加圖5所示的可選調(diào)整電路，可以將該誤差調(diào)零。向引腳5注入大約3°C的負(fù)偏移，調(diào)整電位計向引腳3提供平衡電流，從而消除校準(zhǔn)誤差。

圖5. 可選校準(zhǔn)電路

　　偏移和增益變化

　　AD594/AD595設(shè)計在0°C 時提供0 V輸出，標(biāo)稱增益為10 mV/°C,但也可輕松實現(xiàn)其他范圍。向引腳8施加一個偏移電壓，可以更改0輸出溫度。此電壓的幅度利用給定熱電偶溫度下的AD594/AD595輸出電壓方程式計算。增益可以輕松改變，給標(biāo)稱47 kΩ反饋電阻添加串聯(lián)電阻可提高增益，并聯(lián)電阻可降低增益。下面的方法闡釋了這一原理。

圖6. 偏移和增益變化

　　1. 選擇一個溫度范圍T1-T2.

　　2. 根據(jù)此范圍，確定將輸出范圍限制在（-VS + 2.5）至（+VS - 2）（雙電源供電）或0至（+VS - 2）（單電源供電）的輸出靈敏度（mV/°C）。

　　3. 計算選定的溫度范圍的平均熱電偶靈敏度：（V_T1-V_T2）/（T1-T2）。

　　4. 將所需輸出靈敏度（mV/°C）除以平均熱電偶靈敏度（mV/°C），產(chǎn)生AD594/AD595的新增益（G）。

　　5. 測量引腳8與引腳5之間的實際反饋電阻RFB.

　　6. RIN = RFB/193.4 -1,其中RFB為實測反饋電阻。注意：AD595使用247.3代替193.4.

　　7. 新反饋電阻REXT = （G × 1）（RIN）。

　　電流模式傳輸

　　在許多應(yīng)用中，AD594/AD595可能位于高噪聲、遙遠的位置，其輸出需驅(qū)動很長的電纜。在這些嚴(yán)苛條件下，電流傳輸能夠更好地抑制噪聲，消除電纜電阻引起的誤差。圖7所示電路可將AD594/AD595的輸出轉(zhuǎn)換為電流，然后在控制點再轉(zhuǎn)回電壓。引腳9的反饋電壓迫使RSENSE兩端的電壓等于熱電偶電壓。利用所示的RSENSE值，可得出電流輸出比例因子為10 μA/°C.注意，AD594/AD595靜態(tài)電流會流過該檢測電阻，從而將測量溫度限制為16°C.AD711運算放大器在控制點將此電流轉(zhuǎn)回標(biāo)稱10 mV/°C.總誤差取決于AD594/AD595校準(zhǔn)誤差以及檢測電阻與控制點上用于電流至電壓轉(zhuǎn)換的1 kΩ電阻之間的匹配。

圖7. 電流模式傳輸

　　溫度頻率轉(zhuǎn)換

　　將AD594/AD595電壓輸出轉(zhuǎn)換為頻率，可以產(chǎn)生數(shù)字形式的輸出。這種形式不僅支持長距離傳輸?shù)脑肼曇种疲夷芴峁┛梢耘c計算機直接接口的信息。低成本電壓頻率轉(zhuǎn)換器AD654可將10 mV/°C電壓輸出轉(zhuǎn)換為TTL兼容的方波輸出。如圖8所示，整個系統(tǒng)采用5 V單電源供電，提供0°C至+300°C的溫度測量范圍。為了維持AD594/AD595（電源以下2.5 V）的輸出擺幅，熱電偶溫度越高，則所需的電源電壓越高。AD594/AD595輸出電壓通過一個串聯(lián)電阻連接到AD654輸入端，產(chǎn)生0 mA至1 mA滿量程電流。電容CT決定滿量程輸出頻率，可用頻率為500 kHz,非線性誤差為0.4%.也可以實現(xiàn)其他溫度范圍和輸出頻率。欲了解更多信息，請參考AD654數(shù)據(jù)手冊。

圖8. 溫度頻率轉(zhuǎn)換

　　華氏輸出

　　可以配置AD594/AD595以產(chǎn)生與華氏溫度成比例的電壓。攝氏度到華氏度的換算是將攝氏溫度乘以9/5,再加上32度的偏移。該偏移是通過向引腳3注入200 nA/°C的電流而產(chǎn)生，同時提高反饋電阻以支持9/5的增益。輸出校準(zhǔn)程序如下：

　　1. 斷開熱電偶，向引腳1和引腳14施加10 mV p-p、100 Hz交流信號。

　　2. 調(diào)整RGAIN以在引腳9獲得3.481 V （AD594）或4.451 V （AD595）的峰峰值輸出。

　　3. 連接熱電偶并測量0°C,調(diào)整ROFFSET直到引腳9的輸出讀數(shù)為320 mV.

　　基于華氏輸出的理想傳遞函數(shù)為：

　　AD594輸出 = （J型電壓 + 919 μV） × 348.12AD595輸出 = （K型電壓 + 719 μV） × 445.14在熱電偶的可用范圍內(nèi)，這將產(chǎn)生更高的輸出電壓擺幅，從而需要更高的電源電壓來維持輸出電壓（電源以下2.5 V）。

圖9. 華氏輸出

　　平均溫度

　　將多個熱電偶并聯(lián)到AD594/AD595輸入端，可以測量平均結(jié)溫。如圖10所示，各有一個300 Ω電阻與每個熱電偶的一端串聯(lián)，用以限制在熱電偶分支之間流動的電流。當(dāng)熱電偶溫度高于或低于平均值時，將產(chǎn)生正或負(fù)壓降。

圖10. 測量平均溫度

　　多路復(fù)用熱電偶

　　多個熱電偶可以通過ADG507A等外部CMOS模擬多路復(fù)用器連接到單個AD595/AD595器件。為確保正常工作，熱電偶、多路復(fù)用器與AD594/AD595輸入端之間的互連全部采用銅，并且通過等溫塊保持熱均衡。如圖11所示，一個熱電偶用來測量IC溫度，以及抵消等溫塊處的參考結(jié)電壓。多路復(fù)用器使能時，由等溫塊處的熱電偶連接形成的康銅（鎳鋁）-銅結(jié)與參考熱電偶連接形成的銅-康銅（鎳鋁）結(jié)串聯(lián)。

圖11. 多路復(fù)用輸入

　　由于等溫塊溫度相等，該串聯(lián)連接產(chǎn)生相等但極性相反的電壓。在此條件下，AD594/AD595內(nèi)部冷結(jié)補償電路現(xiàn)在補償IC處的參考結(jié)，它必須保持0°C至+50°C之間的溫度。但應(yīng)注意，等溫塊可以處于任何方便的溫度或位置。未用的多路復(fù)用器輸入端應(yīng)連接到公共地，使雜散信號拾取。為防止AD594/AD595輸入端懸空而引起輸出飽和，應(yīng)將多路復(fù)用器的使能輸入連接到+5 V,使其使能。