探索采用AD849x和LT1025的单芯片热电偶信号调理

　　通过两种不同的单芯片热电偶放大器解决方案了解热电偶信号调理和热电偶非线性：AD849x系列和LT1025。

　　的输出 热电偶 是一种小电压，通常每°C变化数十微伏。 这种低电平信号需要大量放大，然后才能被典型的ADC数字化。此外，热电偶输出应补偿来自非零冷端温度。在上一篇文章中，我们研究了 热电偶信号调理电路。

　　本文概述了两种不同的单片热电偶解决方案： AD849x系列 和 LT1025.本系列的下一篇文章将继续讨论，并概述MAX6675.

　　单芯片热电偶放大器—AD849x示例

　　接下来，我们来看一下图1所示AD849x的功能框图。

　　图1. AD849x框图图片由 ADI公司

　　该器件包括一个低失调、固定增益 仪表放大器 以及内置冷端补偿 （CJC）
电路。该系列中的每个器件均针对J型或K型热电偶进行了工厂校准。AD849x可以直接将热电偶的小输出转换为变化为5 mV/°C的高电平信号。

以下公式可用于求热结温度（T美杰） 的热电偶：

　　等式 1.

　　其中 VREF是 REF 引脚上的电压。例如，如果AD8494产生250 mV和V的输出VREF=0，热端在50°C。

　　热电偶信号调理：IC和冷端处于相同温度

　　使用单片热电偶解决方案时应考虑的一个一般要求是，这些器件应放置在靠近热电偶的冷端附近（图2）。

　　图2. 显示AD849x结路口的示意图。 图片由 ADI公司

　　热电偶信号调理器使用集成的温度传感器进行CJC。这 温度传感器

实际上测量芯片温度而不是热电偶的冷端。因此，为了更准确地测量冷端温度，信号调理器应靠近冷端。这应该不难，特别是对于AD849x等采用3.2 mm×3.2

mm×1.2 mm封装的信号调理器。

　　AD849x封装与冷端之间的任何温差在最终测量值处都表现为温度误差。除了在AD849x和冷端之间使用短走线外，最大限度地降低IC的功耗以避免在PCB上产生温度梯度也很重要。这就引出了关于热电偶信号调理器的另一个重要点：这些器件通常只从电源吸收少量电流，以尽量减少自发热效应。例如，AD849x的电流消耗为180

μA。如果需要，AD849x可为负载提供超过±5 mA的电流;然而，提供大量输出电流会导致温度梯度，并在我们的测量中引入误差。

　　AD849x的非线性误差

　　虽然热电偶表现出非线性输入-输出特性，但公式1表明AD849x的输出是热结温度的线性函数。需要注意的是，AD849x线性放大（冷结补偿）热电偶信号。因此，放大后的输出实际上与热电偶信号一样非线性。因此，公式1给出的线性函数仅近似于系统的实际非线性响应。

　　虽然AD849x不会主动校正热电偶非线性，但它是基于目标温度范围内的传感器特性曲线线性模型设计的。换句话说，一条“最适合”的直线

所支持传感器的非线性特性（Link 200）

用于对内部放大器进行工厂校准。这最大限度地减少了公式1提供的线性模型的非线性误差。在规定的温度范围内，该方程预测的值的线性误差应小于±2°C。

下表给出了该系列每个部分的温度范围。

　　表 1. 使用的数据由以下机构提供 ADI公司

　　AD849x ±2 °C精度温度范围

　　部分热电偶类型 最大误差环境温度范围测量温度范围

　　AD8494J±2°C0°C 至 50°C-35°C 至 +95°C

　　AD8495K±2°C0°C 至 50°C-25°C 至 +400°C

　　AD8496J±2°C25°C 至 100°C+55°C 至 +565°C

　　AD8497K±2°C25°C 至 100°C-25°C 至 +295°C

　　请注意，该系列中的每个器件都经过预调整，以匹配J型或K型热电偶的特性。 本应用说明
讨论了可显著改善AD849x线性度的算法。 图3显示了AD8495的非线性误差，以及采用和不使用校正算法的参考设计的非线性误差。

　　图4. AD8495的非线性误差曲线图。 图片由 ADI公司

　　在这种情况下，线性度改进算法将误差降低到±0.5°C以下。

　　AD849x基准电压源（REF）引脚功能

　　当热电偶的测量（或热）结的温度低于其参考（或冷）结时，会产生负电压。 因此，如果需要测量负温度，应考虑可以处理负电压的信号调理电路。 显而易见的解决方案是使用采用双电源供电的放大器。 即使系统设计为采用单电源供电，AD849x也可以解决这个问题。 为此，我们可以通过向基准引脚（REF）施加适当的正电压来对输出进行电平转换。 在这种情况下，当测量结处于负温度时，输出将低于VREF（公式1）。 当我们需要对输出进行电平转换以匹配信号链中后续电路的输入范围时，REF引脚也很有用。

　　另一个单片式热电偶示例解决方案 — LT1025

　　凌力尔特的 LT1025
是另一种用于冷结补偿的单片式解决方案。 虽然AD849x同时包含一个内部放大器和一个CJC电路，但LT1025仅产生冷结补偿电压。 该IC的功能框图如图5所示。

　　图5. LT1025 的框图。 图片由 凌力尔特

　　该器件检测封装温度并产生10 mV/°C缓冲输出。 然后将该电压施加到电阻分压器，以产生适用于不同类型热电偶的输出。 如您所见，LT1025 支持
E、J、K、T、R 和 S 型热电偶。 要了解模拟CJC电路背后的理论， 请参考这篇文章。

　　使用示例放大器探索热电偶应用

　　图6显示了如何使用该器件操作K型热电偶。

　　图6. K型热电偶的操作示意图。 图片由 凌力尔特。

　　这 LTKA0x 是专为热电偶应用设计的放大器。 它具有低失调（《 35 μV）和漂移（《1.5 μV/°C）。 此外，其偏置电流也非常低（《1
nA），这使我们能够在放大器输入端包含具有相对较大电阻（在10至100 kΩ范围内）的滤波器，而不会产生明显的失调和漂移效应。

　　与AD849x不同，LT1025解决方案将放大器和冷结补偿模块分开。 这有助于最大限度地降低CJC芯片的功耗，从而最大限度地减少自发热效应。 LT1025仅需80
μA电流，远低于AD849x的180 μA电流。 由于电流消耗很小，当电源电压低于10V时，LT1025的内部温升不到0.1 °C。

　　解决热电偶非线性问题

　　如果您熟悉 CJC 电路，那么 LT1025背后的理论对您来说应该相对简单; 但是，另一个值得更多解释的功能是“弓形校正电压”模块。 该模块在温度传感器产生的10mV/°C电压上增加了一个非线性项。 添加该非线性项是为了解决CJC电路中的热电偶非线性误差。 基本的CJC电路尝试将直线拟合到热电偶特性曲线上，并使用该最佳拟合线在冷结温度范围内再现热电偶输出。 然而，LT1025的输出由两个不同的项组成：一个与温度成比例的线性项，加上一个与温度偏差与 25 °C 平方成正比的二次项。 理想情况下，LT1025 应实现以下公式：

　　T 表示温度

　　选择 \\（\\beta\\） 值是为了减小 LT1025
所有热电偶输出中的非线性误差。 请注意，此二次项试图改进CJC电路中使用的热电偶模型。 换句话说，它降低了CJC电路的非线性误差，但不能补偿热电偶本身的非线性误差。

　　现在您已经熟悉了AD849x和LT1025的一些重要特性，建议您查看这些器件的数据手册。 在这里，您可以找到有关这些产品更具体用例的其他详细信息和各种有用的电路图。