ADT7320:±0.25℃精度、16位數(shù)字SPI溫度傳感器
AD7793:3通道、低噪聲、低功耗、24位、Σ-Δ型ADC,集成片內(nèi)儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源
評估和設(shè)計支持
CN-0172電路評估板（EVAL-CN0172-SDPZ）
系統(tǒng)演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）
CN0172分線板（EVAL-CN0172-SDPZ評估板附帶）
電路功能與優(yōu)勢
圖1中的電路在功能上可提供高精度、多通道的熱電偶測量解決方案。精確的熱電偶測量要求采用精密元件組成信號鏈，該信號鏈應(yīng)當(dāng)能夠放大微弱的熱電偶電壓、降低噪聲、校正非線性度并提供精確的基準(zhǔn)結(jié)補償（通常稱為冷結(jié)補償）。本電路可解決熱電偶溫度測量的全部這些難題，并具有±0.25℃以上的精度。
圖1中的電路顯示將3個K型熱電偶連接至AD7793 精密24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以測量熱電偶電壓。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件，必須知道基準(zhǔn)結(jié)溫才能獲得精確的絕對溫度讀數(shù)。這一過程被稱為基準(zhǔn)結(jié)補償，通常稱為冷結(jié)補償。本電路中ADT7320精密16位數(shù)字溫度傳感器用于冷結(jié)基準(zhǔn)測量，并提供所需的精度。
對于需要在熱電偶提供的寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高性價比的精確溫度測量而言，這類應(yīng)用非常受歡迎。
圖1. 多通道熱電偶測量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）
電路描述
圖1中的電路專為使用 ADT7320同時測量3個K型熱電偶而設(shè)計，該器件是一款±0.25℃精度、16位數(shù)字SPI溫度傳感器。
熱電偶電壓測量
采用熱電偶連接器和濾波器作為熱電偶與AD7793 ADC之間的接口。每個連接器（J1、J2和J3）都直接與一組差分ADC輸入相連。AD7793輸入端的濾波器可在信號到達(dá)ADC的AIN （+）和AIN（-）輸入端之前降低任何熱電偶引腳上疊加的噪聲。AD7793集成片內(nèi)多路復(fù)用器、緩沖器和儀表放大器，可放大來自熱電偶測量結(jié)點的小電壓信號。
冷結(jié)測量
ADT7320精密16位數(shù)字溫度傳感器用于測量基準(zhǔn)結(jié)（冷結(jié)） 溫度，其精度在-20℃至+105℃溫度范圍內(nèi)可達(dá)±0.25℃。ADT7320完全經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，用戶無需自行校準(zhǔn)。它內(nèi)置一個帶隙溫度基準(zhǔn)源、一個溫度傳感器和一個16位Σ-Δ型 ADC, 用來測量溫度并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換， 分辨率為0.0078℃。
AD7793和ADT7320均利用系統(tǒng)演示平臺 （EVAL-SDP-CB1Z）由SPI接口控制。此外，這兩個器件也可由微控制器控制。
圖2. EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板
圖2顯示帶有3個K型熱電偶連接器的EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板，AD7793 ADC, 和ADT7320溫度傳感器安裝在獨立柔性印刷電路板（PCB）的兩塊銅觸點之間，用于基準(zhǔn)溫度測量。
圖3是安裝在獨立柔性PCB上ADT7320的側(cè)視圖，該器件插在熱電偶連接器的兩個銅觸點之間。圖3中的柔性PCB更薄更靈活，比小型FR4類PCB更具優(yōu)勢。它允許將ADT7320巧妙地安裝在熱電偶連接器的銅觸點之間，以盡量降低基準(zhǔn)結(jié)和ADT7320之間的溫度梯度。
圖3. 安裝在柔性PCB上ADT7320的側(cè)視圖
小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應(yīng)基準(zhǔn)結(jié)的溫度變化。
圖4顯示ADT7320的典型熱響應(yīng)時間。
圖4.ADT7320典型熱響應(yīng)時間
本解決方案較為靈活，允許使用其它類型的熱電偶，如J型或T型。本電路筆記中，選擇K型是考慮到其更受歡迎。實際選用的熱電偶具有裸露尖端。測量結(jié)位于探頭壁（probe wall）之外，暴露在目標(biāo)介質(zhì)中。
采用裸露尖端的優(yōu)勢在于，它能提供最佳的熱傳導(dǎo)率、具有最快的響應(yīng)時間，并且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機(jī)械損壞和腐蝕的影響。因此，不適合用于惡劣環(huán)境。但在需要快速響應(yīng)時間的場合下，裸露尖端是最佳選擇。若在工業(yè)環(huán)境中使用裸露尖端，則可能需對信號鏈進(jìn)行電氣隔離?？墒褂脭?shù)字隔離器達(dá)到這一目的 （見www.analog.com/icoupler）。
不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或電阻式溫度檢測器（RTD）， ADT7320是一款完全即插即用型解決方案，無需在電路板裝配后進(jìn)行多點校準(zhǔn)，也不會因校準(zhǔn)系數(shù)或線性化程序而消耗處理器或內(nèi)存資源。它在3.3 V電源下工作時的典型功耗僅為700μW,避免了會降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問題。
精密溫度測量指南
下列指南可確保ADT7320精確地測量基準(zhǔn)結(jié)溫度。
電源： 如果ADT7320 從開關(guān)電源供電，可能產(chǎn)生50 kHz以上的噪聲，從而影響溫度精度。為了防止此缺陷，應(yīng)在電源和VDD. 之間使用RC濾波器。所用元件值應(yīng)仔細(xì)考慮，確保電源噪聲峰值小于1 mV
去耦： ADT7320必須在盡可能靠近VDD的地方安裝去耦電容，以確保溫度測量的精度。推薦使用諸如0.1μF高頻陶瓷類型的去耦電容。此外，還應(yīng)使用一個低頻去耦電容與高頻陶瓷電容并聯(lián)，如10μF至50 μF鉭電容。
最大熱傳導(dǎo)： 塑料封裝和背面的裸露焊盤（GND）是基準(zhǔn)結(jié)至ADT7320的主要熱傳導(dǎo)路徑。由于銅觸點與ADC輸入相連，本應(yīng)用中無法連接背面的焊盤，因為這樣做會影響 ADC輸入的偏置。
精密電壓測量指南
下列指南可確保AD7793精確地測量熱電偶測量結(jié)電壓。
去耦：AD7793必須在盡可能靠近AVDD 和 DVDD 的地方安裝去耦電容，以確保電壓測量的精度。應(yīng)將0.1 μF陶瓷電容與 10 μF鉭電容并聯(lián)，將AVDD去耦到GND.此外，應(yīng)將0.1 μF 陶瓷電容與10 μF鉭電容并聯(lián)，將DVDD去耦到GND. 更多有關(guān)接地、布局和去耦技巧的討論，請參考Tutorial MT-031 和 TutorialMT-101
濾波：AD7793的差分輸入用于消除熱電偶線路上的大部分共模噪聲。例如，將組成差分低通濾波器的R1、R2和C3放置在AD7793的前端，可消除熱電偶引腳上可能存在的疊加噪聲。C1和C2電容提供額外的共模濾波。由于輸入ADC 的AIN（+）和AIN（-）均為模擬差分輸入，因此，模擬調(diào)制器中的多數(shù)電壓均為共模電壓。AD7793的出色共模抑制（100 dB最小值）進(jìn)一步消除了這些輸入信號中的共模噪聲。
本方案解決的其它難題
下文總結(jié)了本解決方案是如何解決前文提到的其它熱電偶相關(guān)難題。
熱電偶電壓放大：熱電偶輸出電壓隨溫度的變化幅度只有每度幾μV.本例中所用的常見K型熱電偶變化幅度為41μV/℃。這種微弱的信號在ADC轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級。 AD7793內(nèi)部可編程增益放大器（PGA）能夠提供的最大增益為128.本解決方案中的增益為16,允許AD7793通過內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源運行內(nèi)部滿量程校準(zhǔn)功能。
熱電偶的非線性校正：AD7793在寬溫度范圍（–40℃至 +105℃）內(nèi)具有出色的線性度，不需要用戶校正或校準(zhǔn)。為了確定實際熱電偶溫度，必須使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）所提供的公式將參考溫度測量值轉(zhuǎn)換成等效熱電電壓。此電壓與AD7793測量的熱電偶電壓相加，然后再次使用NIST公式將兩者之和再轉(zhuǎn)換回?zé)犭娕紲囟?。另一種方法涉及查找表的使用。然而，若要獲得同樣的精度，查找表的大小可能有較大不同，這就需要主機(jī)控制器為其分配額外的存儲資源。所有處理均通過EVAL-SDP-CB1Z以軟件方式完成。EVAL-SDP-CB1Z以軟件方式完成。
常見變化
對于精度要求較低的應(yīng)用，可用AD779216位Σ-Δ型ADC 替代AD7793 24位Σ-Δ 型ADC對于基準(zhǔn)溫度測量，可用±0.5℃精度的ADT7310數(shù)字溫度傳感器替代±0.25℃精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。
電路評估與測試
本系統(tǒng)使用EVAL-CN0172-SDPZ和EVAL-SDP-CB1Z. EVAL-CN0172-SDPZ板自帶CN0172分線板。
設(shè)備要求
需要以下設(shè)備：
一個油槽
EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板
CN0172分線板（EVAL-CN0172-SDPZ評估板自帶）
EVAL-CN0172-SDPZ電路評估板
CN0172評估板軟件
一臺Datron 4808校準(zhǔn)儀
一臺Hart Scientific 1590超級溫度計
一個Hart Scientific精密探頭
GPIB電纜（3）
一臺PC,安裝Windows XP或更高版本，運行LabVIEW并帶有一塊GPIB卡和一個USB 2.0端口
設(shè)置與測試
圖5中的測試設(shè)置用于評估多通道熱電偶解決方案的性能。使用Datron校準(zhǔn)儀提供精密電壓源，用于3個熱電偶輸入。使用超級溫度計測量油槽的溫度，并通過GPIB總線對其進(jìn)行控制。
CN0172的LabVIEW軟件通過USB端口EVAL-SDP-CB1Z評估板、分線板和SPI總線控制EVAL-CN0172-SDPZ評估板。 EVAL-SDP-CB1Z評估板的電源來自USB總線，EVAL-SDP-CB1Z的3.3 V輸出為EVAL-CN0172-SDPZ評估板供電。
如果不需要油槽測量，則可利用CD光盤上的軟件，通過 PC的USB接口使用EVAL-CN0172-SDPZ評估板測量3個熱電偶的溫度。
有關(guān)測試設(shè)置、校準(zhǔn)以及如何使用評估軟件來捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請參閱CN0172用戶指南： www.analog.com/CN0172- UserGuide.
圖5. 測試設(shè)置功能框圖
測試結(jié)果
表6顯示采用不同的冷結(jié)（CJ）溫度固定值，在各種熱電偶溫度下該解決方案的誤差曲線。寬溫度范圍內(nèi)的整體解決方案誤差不超過±0.25℃。請注意，若對AD7793 ADC執(zhí)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，則可進(jìn)一步改善解決方案精度。
圖6. 固定冷結(jié)（CJ）溫度下的誤差與熱電偶溫度的關(guān)系
圖7顯示采用不同的熱電偶溫度固定值，在各種CJ溫度下該解決方案的誤差曲線。寬溫度范圍內(nèi)的整體解決方案誤差不超過±0.25℃。
圖7. 固定熱電偶溫度下的誤差與冷結(jié)溫度的關(guān)系
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