集成放大器冷結(jié)補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲囟葴y量系統(tǒng) - 全文

　　電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一款完整的熱電偶信號調(diào)理電路，帶有冷結(jié)補(bǔ)償功能并后接一個(gè)16位∑-△型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。 AD8495熱電偶放大器為測量K型熱電偶溫度提供了一種簡單的低成本解決方案，且包含冷結(jié)補(bǔ)償功能。

　　AD8495中的固定增益儀表放大器可放大熱電偶的小電壓，以提供5 mV/°C輸出。該放大器具有高共模抑制性能，能夠抑制熱電偶的長引線可能會(huì)拾取的共模噪聲。如需額外保護(hù)，該放大器的高阻抗輸入端允許輕松添加額外的濾波措施。

　　AD8476差分放大器提供正確的信號電平和共模電壓，以驅(qū)動(dòng) AD7790 16位Σ-Δ 型ADC。

　　該電路為熱電偶信號調(diào)理和高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換提供了一種緊湊的低成本解決方案。

　　圖1. 集成冷結(jié)補(bǔ)償?shù)腒型熱電偶測量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接）

　　電路描述

　　熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的簡單元件。它由兩種異質(zhì)金屬的連接結(jié)組成。這些金屬在一端相連，形成測量結(jié)，也稱為熱結(jié)。熱電偶的另一端連接到與測量電子裝置相連的金屬線。這種連接形成了第二個(gè)結(jié)——基準(zhǔn)結(jié)，也稱為冷結(jié)。為了得出測量結(jié)的溫度（TMJ），用戶必須知道熱電偶所產(chǎn)生的差分電壓。用戶還必須知道基準(zhǔn)結(jié)溫（TRJ）所產(chǎn)生的誤差電壓。補(bǔ)償基準(zhǔn)結(jié)溫誤差電壓稱為冷結(jié)補(bǔ)償。為使輸出電壓精確地代表熱結(jié)測量結(jié)果，電子裝置必須補(bǔ)償基準(zhǔn)（冷）結(jié)溫的任何變化。

　　該電路使用 AD8495熱電偶放大器，并采用單個(gè)5 V電源供電。AD8495的輸出電壓針對5 mV/°C校準(zhǔn)。采用5 V單電源時(shí)，輸出在大約75 mV和4.75 V之間保持線性，對應(yīng)于15°C至950°C的溫度范圍。AD8495的輸出驅(qū)動(dòng) AD8476 單位增益差分放大器的同相輸入端，該放大器則將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸出，用于驅(qū)動(dòng) AD7790 16位Σ-Δ 型ADC。

　　AD8495輸入端之前的低通差分和共模濾波器可消除RF信號，如果任由其到達(dá)AD8495，它可能會(huì)被整流，表現(xiàn)為溫度波動(dòng)。兩個(gè)100Ω電阻和一個(gè) 1μF電容構(gòu)成一個(gè)截止頻率為800Hz的差分濾波器。兩個(gè)0.01nF電容構(gòu)成一個(gè)截止頻率為160 kHz的共模濾波器。AD8476差分放大器的輸出端在信號施加于AD7790 ADC之前使用了一個(gè)類似的濾波器。

　　AD8495輸入可保護(hù)器件不受最高超出對側(cè)供電軌25 V的輸入電壓偏移的影響。例如，在該電路中，正供電軌為5 V而負(fù)供電軌接地時(shí)，器件可以安全地承受-20 V至+25 V的輸入電壓?；鶞?zhǔn)引腳和檢測引腳處的電壓不得超出供電軌0.3 V以上。此特性對存在電源時(shí)序控制問題的應(yīng)用特別重要，這類問題可導(dǎo)致信號源在施加放大器電源之前活動(dòng)。

　　該系統(tǒng)的理論分辨率可根據(jù)AD8495的帶寬、電壓噪聲密度和增益來計(jì)算得出。峰峰值（無噪聲碼）分辨率（單位為位）為：

　　AD8476是一款功耗極低的全差分精密放大器，集成了用于單位增益的薄膜激光調(diào)整型10kΩ增益電阻。它是此類應(yīng)用的理想之選，因?yàn)樗軌蚍乐乖贏D8495上施加相對較高的阻抗負(fù)載。

　　AD7790是一款適合低頻測量應(yīng)用的低功耗、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲16位∑-△ADC，其中有一個(gè)可配置為緩沖或無緩沖模式的差分輸入端。

　　測試結(jié)果

　　衡量該電路性能的一個(gè)重要指標(biāo)是線性誤差量。在-25°C至+400°C范圍內(nèi)，AD8495的輸出精度在2°C以內(nèi)。在此范圍以內(nèi)或以外工作時(shí)，要實(shí)現(xiàn)更高的精度，必須在軟件中實(shí)施一種線性校正算法。CN-0271評估軟件使用NIST熱電電壓查找表來確保15°C至950°C范圍內(nèi)輸出誤差在1°C以內(nèi)。

　　圖2將AD8495與CN-0271系統(tǒng)的性能進(jìn)行了比較，并顯示了對ADC輸出進(jìn)行線性化校正后的結(jié)果。有關(guān)如何在軟件中實(shí)施此算法的詳情，請參見 AN-1087 應(yīng)用筆記使用AD8494/AD8495/AD8496/AD8497時(shí)的熱電偶線性化。

　　圖2. AD8495輸出誤差、CN-0271電路總誤差圖2. AD8495輸出誤差、
CN-0271電路總誤差以及熱電偶非線性校正后的CN-0271電路總誤差

　　系統(tǒng)的噪聲性能對電路的精度也很重要。圖3顯示了1，000個(gè)測量樣本的直方圖。該數(shù)據(jù)是利用連接到 EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP-B）評估板的 CN-0271 評估板獲得的。有關(guān)設(shè)置詳情，請參見“電路評估與測試”部分。

　　測得的峰峰值噪聲約為6 LSB （1 LSB = 4.9 V ÷ 65536 = 74.8μV），對應(yīng)于0.449 mV p-p和13.4位的無噪聲分辨率。

　　這表明轉(zhuǎn)換器并未降低無噪聲分辨率，因?yàn)閺墓潭犭娕驾斎腚妷核鶞y分辨率而得到的無噪聲位數(shù)與根據(jù)AD8495的理論輸出噪聲而預(yù)測的無噪聲位數(shù)大致相同。

　　圖3. 120 Hz條件下1，000個(gè)樣本的碼字直方圖

　　有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包， 請?jiān)L問 www.analog.com/CN0271-DesignSupport

　　常見變化

　　為了測量負(fù)溫度，需對基準(zhǔn)引腳施加一個(gè)電壓，以偏置0°C時(shí)的輸出電壓。 AD8495 的輸出電壓為：

　　VOUT = （TMJ × 5 mV/°C） + VREF

　　通過將電路修改為采用雙電源供電，可以測量完整的K型熱電偶范圍?200°C至+1250°C。AD8495采用單電源供電時(shí)，測量低于環(huán)境溫度的溫度時(shí)會(huì)得到非線性結(jié)果，因?yàn)檩敵鲩_始發(fā)生飽和，接近于供電軌。要在較低溫度條件下保持精度不變，請使用雙電源，或者通過對基準(zhǔn)引腳施加合適的偏移電壓對輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　　AD8494針對J型熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn)。AD8494和AD8495針對0°C和50°C之間的基準(zhǔn)結(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。

　　AD8496 （J型）和 AD8497（K型）針對25°C和100°C之間的基準(zhǔn)結(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。

　　經(jīng)驗(yàn)證，該電路能夠穩(wěn)定地工作，并具有良好的精度。

　　電路評估與測試

　　本電路使用EVAL-CN0271-SDPZ電路板和系統(tǒng)演示平臺（SDP-B）控制器板（EVAL-SDP-CB1Z）。這兩片板具有120引腳的對接連接器，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。EVAL-CN0271-SDPZ包含要評估的電路，如本電路筆記所述；SDP-B控制器板與CN-0271評估軟件一起使用，可從EVAL-CN0271-SDPZ電路板中獲取數(shù)據(jù)。

　　設(shè)備要求 需要以下設(shè)備：

　　? 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）PC

　　? EVAL-CN0271-SDPZ電路評估板

　　? SDP-B控制器板（ EVAL-SDP-CB1Z） 或SDP-S控制器板（ EVAL-SDP-CS1Z）

　　? CN-0271 SDP評估軟件

　　? 6 V電源（EVAL-CFTL-6V-PWRZ）或同等直流電源

　　開始使用

　　將 CN-0271 評估軟件光盤放進(jìn)PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評估軟件。打開我的電腦，找到包含評估軟件的驅(qū)動(dòng)器。

　　功能框圖

　　電路框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見EVALCN0271-SDPZ-SCH-RevA.pdf文件。此文件位于 CN-0271 設(shè)計(jì)支持包中。

　　設(shè)置

　　將 EVAL-CN0271-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到SDP-B控制器板（ EVAL-SDP-CB1Z）上的CON A連接器。使用尼龍五金配件，通過120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。

　　在斷電情況下，將EVAL-CFTL-6V-PWRZ插頭連接到板上標(biāo)有J5的管式連接器。如果沒有，則將+6V和GND引腳連接到板上提供的兩個(gè)J4引腳螺絲。此外，將SDP-B板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。

　　然后，將一個(gè)K型熱電偶連接器連接到板上的J1，另一端連接到測試設(shè)備。

　　測試

　　啟動(dòng)評估軟件，并通過USB電纜將PC連接到SDP-B板上的微型USB連接器。一旦USB通信建立，就可以使用SDP-B板來發(fā)送、接收和捕捉來自 EVAL-CN0271-SDPZ 板的串行數(shù) 據(jù)。

　　圖4顯示了CN-0271 SDP-B評估軟件界面的屏幕截圖，圖5則顯示了EVAL-CN0271-SDPZ評估板和SDP-B板的照片。有關(guān)SDP-B板的信息，請參閱UG-277用戶指南。