图1所示电路是一个灵活的4通道低功耗热电偶测量电路，总功耗小于8 mW。该电路包括一个多路复用前端，后接一个具有雷洁不长冷结补偿功能的仪表放大器，其以5 mV/°C的精确比例系数将热电偶测量的温度转换为电压。在−25°C至+400°C的测量范围内，误差小于2°C，该误差主要是由热电偶非线性引起。非线性校正算法可将900°C测量范围内的误差降低至0.5°C以下。无噪声分辨率小于0.1°C。

该信号随后由24位 Σ-Δ 型ADC数字化，数字值通过I²C串行接口提供。设计采用PMOD形式，原型开发可迅速完成，且只需要非常少的PCB面积，特别适合需要精密热电偶温度测量的应用。

图1.多通道K型热电偶测量系统(原理示意图：未显示去耦和所有连接)

电路的4路热电偶输入端接于等温模块P2。互补金属氧化物半导体(CMOS)模拟多路复用器 ADG1609 将4个热电偶通道切换到单个信号调理模块，以便处理4路热电偶输入。该开关为先开后合式开关，具有低电荷注入特性，可使通道切换造成的瞬变最小。

等温模块输出端产生的热电偶电压与测量热电偶和等温模块(冷结)的温度之差成正比。

该信号由精密仪表放大器 AD8495放大，后者经过激光调整，针对K型热电偶可提供5 mV/°C的精密输出。AD8495还能提供0°C到50°C范围的冷结补偿。

图1还显示了第五个热电偶，其作用是抵消等温模块与AD8495冷结补偿电路之间的温度差所产生的电压。多路复用器使能时，由等温块处的热电偶连接形成的康铜(镍铝)—铜结与参考热电偶连接形成的铜—康铜(镍铝)结串联。由于等温块温度相等，该串联连接产生相等但极性相反的电压。在此条件下，AD8495内部冷结补偿电路补偿IC处的参考结，IC温度必须保持0°C至50°C之间。因此，第五个热电偶连接使得AD8495无需像通常情况那样直接安装在等温模块上。

AD8495的输出由1.1 kΩ/1 nF单极点滤波器滤波，该滤波器的−3 dB截止频率为145 kHz。其作用是使 AD7787 ADC输入端的宽带噪声最小。

AD7787是一款24位、低噪声、低功耗Σ-Δ型ADC，适合热电偶测量系统等低频测量应用。它内置时钟，无需使用外部时钟，输出数据速率可由用户配置。由于以较低的内部时钟频率工作，其功耗得以降低。该Σ-Δ型ADC具有一路差分输入和一路单端输入，通过多路复用器之后，任一输入都可以缓冲或不缓冲。

AD7787采用内部时钟工作，因此，用户不必为其提供时钟源。其输出数据速率可通过软件编程设置，可在9.5 Hz至120 Hz的范围内变化，更新速率较低时均方根(RMS)噪声为1.1 μV。在本电路中，AD7787以9.5 Hz的更新速率工作。内部时钟频率可以使用系数2、4或8进行分频，从而可以降低功耗。更新速率、截止频率和建立时间全都与时钟频率成比例变化。

AD7787采用2.5 V至5.25 V电源供电。工作电压为3 V时，最大功耗为225 μW。它采用10引脚MSOP封装。


热电偶信号调理

 

AD8495采用电路中的5 V单电源供电。输入结构为PNP晶体管，输入电压可以低至−200 mV，因而可以测量负温度。然而，为了处理负温度，必须让输出电压偏移，这是利用基准电压输入引脚(REF)来实现的。

REF引脚利用P1跳线接地时，系统可测量的最低温度为5°C。P1跳线还可以将REF引脚偏置电压连接到1.2 V ADR3412基准电压源，从而测量最低−235°C的温度。两种情况的对应温度范围参见表1。两种情况下的温度跨度均为 875°C。必须用基准电压源或缓冲放大器等低阻抗源驱动REF引脚，以防出现误差。

表1.采用5 V单电源时REF = 0 V和REF = 1.2 V对应的测量范围

REF引脚电压	温度范围
0 V 或接地	5°C 至 880°C
1.2 V	-235°C 至 +640°C

 

热电偶开路检测

AD8495 可以检测热电偶开路或损坏情况。AD8495的输入为PNP晶体管的基极，因此偏置电流总是流出输入端。若有输入开路，输出就会变为供电轨之一。通过一个1 MΩ电阻将负输入接地，将导致AD8495输出在热电偶开路情况下达到高供电轨。四个通道中若有任何通道不使用，应将其输入端接，防止AD8495在该通道接通时达到正供电轨。1 MΩ电阻还提供偏置电流接地回路。

AD8495具有高共模抑制性能，能够将热电偶长引线拾取的共模噪声降至最低。该放大器的高阻抗输入端允许轻松添加额外的滤波措施，以便更好地消除电磁干扰和射频干扰(EMI/RFI)。


电源考虑

图1中的电路采用5 V单电源供电，该电源为 ADG1609、AD8495、AD7787的VDD引脚、REF194、ADR3412 和 ADM8829供电。

REF194为AD7787提供4.5 V基准电压。ADR3412为AD8495的REF输入提供1.2 V可选偏移电压。跳线P1可将REF引脚连接到1.2 V或地。

开关电容电压反相器 ADM8829 提供多路复用器ADG1609所需的−5 V电压，以支持负温度测量。

表2列出了电路中各器件的功耗(基于数据手册技术规格)。设计的最大功耗为1.56 mA。注意，最大功耗是由开关电容电压反相器ADM8829引起的。若有负电源来驱动ADG1609的VSS引脚，则可不使用该反相器，总电流将降至约556 μA。

表2.电路功耗

产品型号	最大功耗
AD8495	250 µA
AD7787	160 µA
ADG1609	1 µA
REF194	45 µA
ADR3412	100 µA
ADM8829	1000 µA

注意，总电流为1556 μA。


测试结果

在−25°C至+400°C范围内，对于0°C至50°C的参考结温度，AD8495的最大温度误差为±2°C(由热电偶非线性引起)。如需更宽的温度范围或更高的精度，必须使用线性校正算法，这可通过软件实现。关于非线性校正的讨论，请参见AN-1087 应用笔记“使用 AD8494/AD8495/AD8496/AD8497时的热电偶线性化”。图3显示了电路使用和不使用校正算法两种情况下的线性误差。

图3.使用和不使用校正算法两种情况下的线性误差

系统噪声在受控温度环境下测试，以便检查系统的无噪声码分辨率。图4显示了噪声分布图，涵盖大约1098个代码。对于24位分辨率和900°C的跨度，1 LSB = 900°C/224 = 0.07°C分辨率。

 

  

图4.电路的噪声分布直方图(禁用输入缓冲器AD7787，输出数据速率= 9.5 Hz)

无噪声码分辨率计算如下： 

经验证，采用设计所选的器件时，CN-0354电路能够稳定地工作，并具有良好的精度。

本设计也可利用 AD594/ AD595实现，后者也是单芯片热电偶信号调理放大器，提供10 mV/°C输出。

AD8495 还有其它版本，如 AD8494、 AD8496 和 AD8497等，它们分别适用于不同的热电偶类型、环境温度范围和测量温度范围，如表3所示。

表3.AD849x ±2°C精度温度范围

器件	热电偶类型	最大误差	环境温度范围	测量温度范围
AD8494	J	±2°C	0°C 至 50°C	-35°C 至 +95°C
AD8495	K	±2°C	0°C 至 50°C	-25°C 至 +400°C
AD8496	J	±2°C	25°C 至 100°C	55°C 至 565°C
AD8497	k	±2°C	25°C 至 100°C	-25°C 至 +295°C

设备要求

需要以下设备：

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