?熱電偶信號調節器和冷端附近的信號調節

通過示例產品如AD594/AD595、MAX6675和ADS1220，了解單片熱電偶信號調節器和信號調節。

在本系列的前文中，我們介紹了單片熱電偶信號調節器的工作原理。本文將進一步討論熱電偶應用的其他幾種選擇，即AD594/AD595、MAX6675和ADS1220。前文中的一些基本概念也適用于本文討論的熱電偶調節器。例如，所有這些信號調節器都應該放置在熱電偶的冷端附近。但是，某些功能可能是特定于設備的。

為了保持簡潔，我們將主要關注這些設備中的每一個的關鍵功能。

熱電偶信號調節器示例1—AD594/AD595

AD594/AD595是一款完整的熱電偶信號調節器，將放大器和冷端補償器集成到一個封裝中。圖1顯示了該設備的功能框圖和基本的單電源連接。

AD594/AD595 結構圖。

圖1. AD594/AD595 框圖。圖片由 Analog Devices 提供

電路的一個基本部分是由右側差分放大器（增益為G）、主放大器（+A）以及引腳8和5之間的內部電阻器組成的反饋回路。左側差分對放大熱電偶電壓，并將其應用于反饋回路中的求和節點。“冰點補償”塊產生冷端補償（CJC）電壓，并通過右側差分對將其添加到熱電偶回路中。

您可以在AD594/AD595數據表中找到有關該電路工作原理的詳細信息。無需進一步了解這些細節，最終結果是該設備旨在直接連接到熱電偶，執行冷端補償和放大，并產生10 mV/°C的輸出。例如，當熱電偶連接到AD594時，輸出約為500 mV，熱端溫度為50°C。

請注意，AD594和AD595通過激光晶圓修整進行預校準，以分別匹配J型和K型熱電偶的特性曲線。

AD594/AD595中的負溫度測量

在之前的文章中，我們討論了AD849x，它也是熱電偶信號調節器，即使由單軌電源供電，也可以測量負溫度。與AD849x不同，AD594/AD595需要雙軌電源來測量0°C以下的溫度。

AD594/AD595增益校準

AD594/AD595的一個有趣特性是，內部電路的某些重要節點可在封裝引腳上找到。例如，引腳8連接到設備的內部反饋路徑。此外，引腳3和5上可找到應用于右側差分放大器的CJC電壓。將這些節點放在封裝引腳上，可讓我們擁有更靈活的信號調節器，可根據應用要求進行調整。

記住這一點，我們來看看如何在實際中使用反饋電阻器。如圖1所示，在正常工作條件下，引腳9和8連接在一起。這將放大器輸出連接到設置設備增益的內部反饋電阻器。內部反饋網絡在出廠前已校準，可產生10 mV/°C的輸出。然而，為了調整增益，我們可以在引腳9和5之間放置一個額外的電阻器。這個外部電阻器將與內部反饋電阻器并聯，從而可以調整放大器增益。我們甚至可以通過斷開引腳9和8之間的連接，用外部電阻器替換內部電阻器。

圖2展示了通過調整反饋電阻器進行增益校準。

通過調整反饋電阻器進行增益校準的示意圖。

圖2:通過調整反饋電阻器進行增益校準的示意圖。圖片由Analog Devices提供

上圖顯示了如何使用AD594/AD595產生與華氏溫度成比例的輸出（10 mV/°F）。接下來，讓我們考慮以下溫度標度轉換的方程：

根據這個方程，我們可以驗證需要增加增益

 $\frac{9}{5}$（以及添加適當的偏移值）以使輸出以10 mV/°F的速度變化，而不是出廠校準的10 mV/°C值。

換句話說，我們需要調整反饋電阻器以獲得 $10\times \frac{9}{5}=18mV/°C$ 的輸出

上圖通過在引腳9和引腳8之間放置一個微調電位器來實現這一點。對于J型熱電偶，室溫靈敏度為51.7μV/°C。因此，AD594的增益可表示為：

如本應用說明所述，我們可以向引腳1和14施加一個交流信號VTest，然后調整RGain，直到我們在輸出端得到VTest ? GainNew。

AD594/AD595 偏移校準

還可以向AD594/AD595的輸出添加偏移。圖3顯示了執行偏移校準的一種方法。

圖表顯示了一種執行偏移校準的方法。

圖3. 執行偏移校準的一種方法的示意圖。圖像由模擬設備公司提供

在消除設備殘余校準誤差時，這尤其有用。AD594/AD595是一種激光晶圓修整，可實現最大校準誤差為1°C或3°C，具體取決于設備性能等級。在要求較高的應用中，可以使用上圖來消除這種殘余誤差。15 MΩ電阻器略微增加了右側差分放大器反相輸入端的電位。這迫使電路具有約-3°C的負偏移。“強制”負偏移然后通過連接到差分放大器非反相輸入端的電阻網絡進行校準。這種校準方案確保可以使用單次單向修整來消除誤差。您可以在圖2中看到另一個偏移校準示例。

其他熱電偶類型的溫度調整

除了調整增益和偏置外，還可以調整內部冷端補償器的溫度系數。這使我們能夠將AD594/AD595與其他類型的熱電偶一起使用。例如，數據表解釋了如何將出廠校準為J型熱電偶的AD594重新校準為E型熱電偶。

熱電偶信號調節器示例2—MAX6675

熱電偶信號調理的另一種選擇是MAX6675，其功能框圖如下所示。

MAX6675的框圖。

圖4 MAX6675的框圖。圖片由Maxim Integrated（Analog Devices）提供

MAX6675將12位ADC（模擬到數字轉換器）和冷端補償器集成到一個封裝中。它可以直接連接到K型熱電偶，如圖5所示。

示例應用電路圖。

圖5 示例應用電路圖。圖片由Maxim Integrated（Analog Devices）提供

該設備可以測量0°C至1024°C（注意，它不能測量負溫度）的寬范圍熱結溫度。冷結溫度或MAX6675的工作溫度應在-20°C至+85°C的范圍內。

如圖4所示，CJC信號和熱電偶輸出均由ADC進行數字化。該設備使用這些信息執行CJC并讀取結果（即溫度以12位值的形式在SO引腳上測量）。全零序列對應0°C，而全一序列表示熱電偶處于+1023.75°C。

熱電偶信號調節器示例3—ADS1220

作為第三種熱電偶調節器選項，我想提到的是，除了使用帶有集成冷端補償器的設備外，您還可以使用包含內部精密溫度傳感器的ADC。圖6顯示了使用ADS1220的示例圖。

ADS1220的框圖。

圖6. ADS1220的框圖。圖片由德州儀器公司提供

ADS1220是一款24位ADC，帶有高精度溫度傳感器，可用于測量設備溫度以進行CJC（冷端溫度補償）目的。ADS1220無法自動執行冷端溫度補償；但是，可以在ADC之后的處理器中完成。例如，如果由于精度有限或無法將ADC放置在冷端附近而無法使用內部溫度傳感器，則可以使用RTD或熱敏電阻來測量冷端溫度。但是，這將消耗ADC的額外輸入通道。