​热电偶信号调节器和冷端附近的信号调节

通过示例产品如AD594/AD595、MAX6675和ADS1220，了解单片热电偶信号调节器和信号调节。

在本系列的前文中，我们介绍了单片热电偶信号调节器的工作原理。本文将进一步讨论热电偶应用的其他几种选择，即AD594/AD595、MAX6675和ADS1220。前文中的一些基本概念也适用于本文讨论的热电偶调节器。例如，所有这些信号调节器都应该放置在热电偶的冷端附近。但是，某些功能可能是特定于设备的。

为了保持简洁，我们将主要关注这些设备中的每一个的关键功能。

热电偶信号调节器示例1—AD594/AD595

AD594/AD595是一款完整的热电偶信号调节器，将放大器和冷端补偿器集成到一个封装中。图1显示了该设备的功能框图和基本的单电源连接。

AD594/AD595 结构图。

图1. AD594/AD595 框图。图片由 Analog Devices 提供

电路的一个基本部分是由右侧差分放大器（增益为G）、主放大器（+A）以及引脚8和5之间的内部电阻器组成的反馈回路。左侧差分对放大热电偶电压，并将其应用于反馈回路中的求和节点。“冰点补偿”块产生冷端补偿（CJC）电压，并通过右侧差分对将其添加到热电偶回路中。

您可以在AD594/AD595数据表中找到有关该电路工作原理的详细信息。无需进一步了解这些细节，最终结果是该设备旨在直接连接到热电偶，执行冷端补偿和放大，并产生10 mV/°C的输出。例如，当热电偶连接到AD594时，输出约为500 mV，热端温度为50°C。

请注意，AD594和AD595通过激光晶圆修整进行预校准，以分别匹配J型和K型热电偶的特性曲线。

AD594/AD595中的负温度测量

在之前的文章中，我们讨论了AD849x，它也是热电偶信号调节器，即使由单轨电源供电，也可以测量负温度。与AD849x不同，AD594/AD595需要双轨电源来测量0°C以下的温度。

AD594/AD595增益校准

AD594/AD595的一个有趣特性是，内部电路的某些重要节点可在封装引脚上找到。例如，引脚8连接到设备的内部反馈路径。此外，引脚3和5上可找到应用于右侧差分放大器的CJC电压。将这些节点放在封装引脚上，可让我们拥有更灵活的信号调节器，可根据应用要求进行调整。

记住这一点，我们来看看如何在实际中使用反馈电阻器。如图1所示，在正常工作条件下，引脚9和8连接在一起。这将放大器输出连接到设置设备增益的内部反馈电阻器。内部反馈网络在出厂前已校准，可产生10 mV/°C的输出。然而，为了调整增益，我们可以在引脚9和5之间放置一个额外的电阻器。这个外部电阻器将与内部反馈电阻器并联，从而可以调整放大器增益。我们甚至可以通过断开引脚9和8之间的连接，用外部电阻器替换内部电阻器。

图2展示了通过调整反馈电阻器进行增益校准。

通过调整反馈电阻器进行增益校准的示意图。

图2:通过调整反馈电阻器进行增益校准的示意图。图片由Analog Devices提供

上图显示了如何使用AD594/AD595产生与华氏温度成比例的输出（10 mV/°F）。接下来，让我们考虑以下温度标度转换的方程：

根据这个方程，我们可以验证需要增加增益

 $\frac{9}{5}$（以及添加适当的偏移值）以使输出以10 mV/°F的速度变化，而不是出厂校准的10 mV/°C值。

换句话说，我们需要调整反馈电阻器以获得 $10\times \frac{9}{5}=18mV/°C$ 的输出

上图通过在引脚9和引脚8之间放置一个微调电位器来实现这一点。对于J型热电偶，室温灵敏度为51.7μV/°C。因此，AD594的增益可表示为：

如本应用说明所述，我们可以向引脚1和14施加一个交流信号VTest，然后调整RGain，直到我们在输出端得到VTest ⨉ GainNew。

AD594/AD595 偏移校准

还可以向AD594/AD595的输出添加偏移。图3显示了执行偏移校准的一种方法。

图表显示了一种执行偏移校准的方法。

图3. 执行偏移校准的一种方法的示意图。图像由模拟设备公司提供

在消除设备残余校准误差时，这尤其有用。AD594/AD595是一种激光晶圆修整，可实现最大校准误差为1°C或3°C，具体取决于设备性能等级。在要求较高的应用中，可以使用上图来消除这种残余误差。15 MΩ电阻器略微增加了右侧差分放大器反相输入端的电位。这迫使电路具有约-3°C的负偏移。“强制”负偏移然后通过连接到差分放大器非反相输入端的电阻网络进行校准。这种校准方案确保可以使用单次单向修整来消除误差。您可以在图2中看到另一个偏移校准示例。

其他热电偶类型的温度调整

除了调整增益和偏置外，还可以调整内部冷端补偿器的温度系数。这使我们能够将AD594/AD595与其他类型的热电偶一起使用。例如，数据表解释了如何将出厂校准为J型热电偶的AD594重新校准为E型热电偶。

热电偶信号调节器示例2—MAX6675

热电偶信号调理的另一种选择是MAX6675，其功能框图如下所示。

MAX6675的框图。

图4 MAX6675的框图。图片由Maxim Integrated（Analog Devices）提供

MAX6675将12位ADC（模拟到数字转换器）和冷端补偿器集成到一个封装中。它可以直接连接到K型热电偶，如图5所示。

示例应用电路图。

图5 示例应用电路图。图片由Maxim Integrated（Analog Devices）提供

该设备可以测量0°C至1024°C（注意，它不能测量负温度）的宽范围热结温度。冷结温度或MAX6675的工作温度应在-20°C至+85°C的范围内。

如图4所示，CJC信号和热电偶输出均由ADC进行数字化。该设备使用这些信息执行CJC并读取结果（即温度以12位值的形式在SO引脚上测量）。全零序列对应0°C，而全一序列表示热电偶处于+1023.75°C。

热电偶信号调节器示例3—ADS1220

作为第三种热电偶调节器选项，我想提到的是，除了使用带有集成冷端补偿器的设备外，您还可以使用包含内部精密温度传感器的ADC。图6显示了使用ADS1220的示例图。

ADS1220的框图。

图6. ADS1220的框图。图片由德州仪器公司提供

ADS1220是一款24位ADC，带有高精度温度传感器，可用于测量设备温度以进行CJC（冷端温度补偿）目的。ADS1220无法自动执行冷端温度补偿；但是，可以在ADC之后的处理器中完成。例如，如果由于精度有限或无法将ADC放置在冷端附近而无法使用内部温度传感器，则可以使用RTD或热敏电阻来测量冷端温度。但是，这将消耗ADC的额外输入通道。