3通道熱電偶溫度測量系統(tǒng)，精度為0.25℃電路圖

　　圖1中的電路專為使用 ADT7320同時測量3個K型熱電偶而設計，該器件是一款±0.25°C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集成片內多路復用器、緩沖器和儀表放大器，可放大來自熱電偶測量結點的小電壓信號。

　　冷結測量

　　ADT7320精密16位數(shù)字溫度傳感器用于測量基準結（冷結） 溫度，其精度在?20°C至+105°C溫度范圍內可達±0.25°C。 ADT7320完全經(jīng)過工廠校準，用戶無需自行校準。它內置一個帶隙溫度基準源、一個溫度傳感器和一個16位Σ-Δ型 ADC， 用來測量溫度并進行數(shù)字轉換， 分辨率為 0.0078°C。

　　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，用于基準溫度測量。

　　圖3是安裝在獨立柔性PCB上ADT7320 的側視圖，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，以盡量降低基準結和ADT7320之間的溫度梯度。

　　圖3. 安裝在柔性PCB上ADT7320的側視圖

　　小而薄的柔性PCB還能使ADT7320快速響應基準結的溫度變化。 圖4顯示ADT7320的典型熱響應時間。

　　圖4.ADT7320典型熱響應時間

　　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。測量結位于探頭壁（probe wall）之外，暴露在目標介質中。

　　采用裸露尖端的優(yōu)勢在于，它能提供最佳的熱傳導率、具有最快的響應時間，并且成本低、重量輕。不足之處是容易受到機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行電氣隔離?？墒褂脭?shù)字隔離器達到這一目的 （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行多點校準，也不會因校準系數(shù)或線性化程序而消耗處理器或內存資源。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精確地測量基準結溫度。

　　電源： 如果ADT7320 從開關電源供電，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，應在電源和VDD. 之間使用RC濾波器。所用元件值應仔細考慮，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： 塑料封裝和背面的裸露焊盤（GND）是基準結至ADT7320的主要熱傳導路徑。由于銅觸點與ADC輸入相連，本應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。 更多有關接地、布局和去耦技巧的討論，請參考Tutorial MT-031 和 Tutorial MT-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

　　下文總結了本解決方案是如何解決前文提到的其它熱電偶相關難題。

　　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/°C。這種微弱的信號在ADC轉換前需要較高的增益級。 AD7793內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通過內部基準電壓源運行內部滿量程校準功能。

　　熱電偶的非線性校正：AD7793在寬溫度范圍（–40°C至 +105°C）內具有出色的線性度，不需要用戶校正或校準。為了確定實際熱電偶溫度，必須使用美國國家標準技術研究院（NIST）所提供的公式將參考溫度測量值轉換成等效熱電電壓。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換回熱電偶溫度。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。

　　欲查看完整原理圖和EVAL-CN0172-SDPZ的布局，請參見 CN-0172設計支持包：www.analog.com/CN0172-DesignSupport.

　　常見變化

　　對于精度要求較低的應用，可用 AD7792 16位Σ-Δ 型ADC 替代 AD7793 24位Σ-Δ 型ADC對于基準溫度測量，可用 ±0.5°C精度的 ADT7310 數(shù)字溫度傳感器替代±0.25°C精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。