熱電偶基本結構示意圖

 

將熱電偶產生的電壓變換成精確的溫度讀數并不是件輕松的事情，其原因包括電壓信號太弱，溫度電壓關系呈非線性，需要參考接合點補償，且熱電偶可能引起接地問題等。

 

例如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，這是相當簡單的信號調理。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弱的熱電偶信號。

 

另一方面，要獲得精確的絕對溫度讀數，必須知道熱電偶參考接合點的溫度。參考接合點溫度需要使用另一種溫度敏感器件來測量——一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度測量器），然后對熱電偶電壓讀數進行補償以反映參考接合點溫度。必須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，溫度電壓關系呈非線性、熱電偶可能引起接地問題等都使得熱電偶信號調理比其它溫度測量系統的信號調理更復雜，信號調理設計和調試所需的時間可能會延長產品的上市時間，信號調理部分產生的誤差同樣可能會降低精度，尤其在參考接合點補償段。

 

解決方案一：將參考接合點補償和信號調理集成在一個模擬IC內

 

下圖為K型熱電偶測量示意圖，它使用了AD8495/AD8494熱電偶放大器，此類放大器專門設計用于測量K型熱電偶。這種模擬解決方案為縮短設計時間而優化，它的信號鏈比較簡潔，不需要任何軟件編碼。

 

 

用于測量K型熱電偶而優化的信號鏈設計

 

AD8495熱電偶放大器的框圖中，放大器A1、A2和A3（及所示電阻）一道形成一個儀表放大器，它使用恰好產生5 mV/°C輸出電壓的一個增益來對K型熱電偶輸出進行放大。在標記"Ref junction compensation"（參考接合點補償）的框內是一個環境溫度傳感器。在測量接合點溫度保持穩定的條件下，如果參考接合點溫度由于任何原因而上升，來自熱電偶的差分電壓就會降低。如果微型封裝的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495接近參考接合點的熱區域，參考接合點補償電路將額外電壓施加到放大器內，這樣輸出電壓保持恒定，從而對參考溫度變化進行補償。

 

 

AD8495功能框圖

 

與AD8495類似，熱電偶放大器AD8494內置一個片內溫度傳感器，一般用于冷結補償，將熱電偶輸入端接地，該器件便可用作一個獨立的攝氏溫度計。在這種配置中，放大器在片內儀表放大器的輸出引腳與參考引腳之間產生5 mV/°C的輸出電壓。然而，現在參考引腳由運算放大器AD8538（配置為單位增益跟隨器）驅動，因此5 mV/°C電壓出現在R1兩端。流經R1的電流也會流經R2，從而在該串聯組合兩端產生一個溫度相關的電壓，其大小為(R1 + R2)/R1乘以R1兩端的電壓。利用圖中所示的值，可以得出輸出電壓以20 × 5 mV/°C = 100 mV/°C的幅度改變，因此20°C溫度變化將產生2 V的輸出電壓變化。新系統的分辨率為0.05°C/LSB，比原電路提高20倍。AD8538緩沖該電阻網絡，以低阻抗驅動參考引腳，從而保持良好的共模抑制性能和增益精度。

 

 

基于AD8494的高分辨率溫度測量系統參考

 

解決方案二：將參考接合點補償和信號調理獨立開來

 

下圖顯示為高精度測量J、K或T型熱電偶的示意圖，此電路包括一個小信號熱電偶電壓測量用的高精度ADC，和一個參考接合點溫度測量用的高精度溫度傳感器。兩個器件都由一個外部微處理器使用SPI接口進行控制。

 

 

為精度和靈活性而優化的信號鏈系統

 

該系統通過使用AD7793這一高精度、低功耗模擬前端來測量熱電偶電壓。熱電偶輸出經過外部濾波后連接到一組差分輸入AIN1(+)和AIN1(–)。信號然后依次經過一個多路復用器、一個緩沖器和一個儀表放大器（放大熱電偶小信號）發送到一個ADC，它將該信號轉換為數字信號，能夠消除噪聲并放大電壓。

 

ADT7320則在充分靠近參考接合點放置時在–10°C至+85°C溫度范圍內參考接合點溫度測量精度可達到±0.2°C。片上溫度傳感器產生與絕對溫度成正比的電壓，該電壓與內部基準電壓相比較并輸入至精密數字調制器。該調制器輸出的數字化結果不斷刷新一個16位溫度值寄存器。然后通過SPI接口從微處理器回讀溫度值寄存器，并結合ADC的溫度讀數一起實現補償。不同于傳統的熱敏電阻或RTD傳感器測量，它既不需要在電路板裝配后進行高成本的校準步驟，也不會因校準系數或線性化程序而消耗處理器或內存資源。其功耗只有數毫瓦，避免了降低傳統電阻式傳感器解決方案精度的自發熱問題。

 

本文小結

 

熱電偶可以用于高精度的溫度測量，但對設計工程師來說卻很棘手，需要通過堅實的電路設計和校準來優化測量精度。本文提供的第一種方案將參考接合點補償和信號調理集成在一個模擬IC AD8495/AD8494內，使用更簡便；第二種方案則將參考接合點補償和信號調理獨立開來，基于AD7793這一高精度、低功耗模擬前端，使數字輸出溫度感應更靈活、更精確。