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熱電偶溫度測量系統(tǒng)電路圖,耗用電流低于500μA

作者: 時間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  電路功能與優(yōu)勢

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327104.htm

  圖1所示電路是一個基于24位Σ-Δ型ADC AD7793 的完整熱電偶系統(tǒng)。AD7793是一款適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端,內(nèi)置PGA、基準(zhǔn)電壓源、時鐘和激勵電流,從而大大簡化了熱電偶系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)峰峰值噪聲約為0.02°C。

  AD7793的最大功耗僅500 μA,因而適合低功耗應(yīng)用,例如整個發(fā)送器的功耗必須低于4 mA的智能發(fā)送器等。AD7793還具有關(guān)斷選項。在這種模式下,整個ADC及其輔助功能均關(guān)斷,器件的最大功耗降至1 μA。

  AD7793提供一種集成式熱電偶解決方案,可以直接與熱電偶接口。冷結(jié)補償由一個熱敏電阻和一個精密電阻提供。該電路只需要這些外部元件來執(zhí)行冷結(jié)測量,以及一些簡單的R-C濾波器來滿足電磁兼容性(EMC)要求。

  

  圖1. 帶冷結(jié)補償?shù)臒犭娕紲y量系統(tǒng)(原理示意圖:未顯示去耦和所有連接)

  電路描述

  本電路使用T型熱電偶。該熱電偶由銅和康銅構(gòu)成,溫度測量范圍為?200°C至+400°C,產(chǎn)生的溫度相關(guān)電壓典型值為40 μV/°C。

  熱電偶的傳遞函數(shù)不是線性的。在0°C至+60°C的溫度范圍,其響應(yīng)非常接近線性。但是,在更寬的溫度范圍內(nèi),必須使用一個線性化程序處理。

  測試電路不包括線性化功能,因此,本電路的有用測量范圍是0°C到+60°C。在該溫度范圍內(nèi),熱電偶產(chǎn)生0 mV至2.4 mV的電壓。內(nèi)部1.17 V基準(zhǔn)電壓用于熱電偶轉(zhuǎn)換。因此,AD7793的增益配置為128。

  AD7793采用單電源供電,熱電偶產(chǎn)生的信號必須被偏置到地以上,從而處于該ADC支持的范圍。對于128倍的增益,模擬輸入端的絕對電壓必須在GND + 300 mV至AVDD – 1.1 V范圍內(nèi)。

  AD7793片上集成的偏置電壓發(fā)生器偏置熱電偶信號,使其共模電壓為AVDD/2,確保以相當(dāng)大的裕量滿足輸入電壓限值要求。

  熱敏電阻在+25°C時的值為1 kΩ,0°C時的典型值為815 Ω,+30°C時的典型值為1040 Ω。假設(shè)0°C至30°C的傳遞函數(shù)為線性,則冷結(jié)溫度與熱敏電阻R之間的關(guān)系為:

  冷結(jié)溫度 = 30 × (R – 815)/(1040 – 815)

  AD7793的1 mA激勵電流用于為熱敏電阻和2 kΩ精密電阻供電?;鶞?zhǔn)電壓利用該2 kΩ外部精密電阻產(chǎn)生。這種架構(gòu)提供一種比率式配置,激勵電流用于為熱敏電阻供電,并產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。因此,激勵電流值的偏差不會改變系統(tǒng)的精度。

  對熱敏電阻通道進行采樣時,AD7793以1倍的增益工作。對于+30°C的最大冷結(jié)溫度,熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓為1 mA × 1040 Ω = 1.04 V。

  熱敏電阻的選擇條件是:熱敏電阻上產(chǎn)生的最大電壓乘以PGA增益的結(jié)果小于或等于精密電阻上產(chǎn)生的電壓。

  對于ADC_CODE的轉(zhuǎn)換值,相應(yīng)的熱敏電阻值R等于:

  R = (ADC_CODE – 0x800000) × 2000/223

  還需要考慮AD7793 IOUT1引腳的輸出順從電壓。使用1 mA激勵電流時,輸出順從電壓等于AVDD – 1.1 V。從上述計算可知,電路滿足這一要求,因為IOUT1的最大電壓等于精密電阻上的電壓加上熱敏電阻上的電壓,等于2 V + 1.04 V = 3.04 V?! D7793以16.7 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率工作。每讀取10個熱電偶轉(zhuǎn)換結(jié)果,就讀取1個熱敏電阻轉(zhuǎn)換結(jié)果。相應(yīng)的溫度等于:

  溫度 = 熱電偶溫度 + 冷結(jié)溫度

  AD7793的轉(zhuǎn)換結(jié)果由模擬微控制器ADuC832 處理,所得的溫度顯示在LCD顯示器上。

  該熱電偶設(shè)計采用6 V(2節(jié)3 V鋰電池)電池供電。一個二極管將6 V電壓降至適合AD7793和模擬微控制器ADuC832的電平。ADuC832電源與AD7793電源之間有一個RC濾波器,用以降低進入AD7793的電源數(shù)字噪聲。

  圖2顯示了T型熱電偶上產(chǎn)生的電壓與溫度的關(guān)系。圓圈內(nèi)的區(qū)域是從0°C到+60°C,該區(qū)域內(nèi)的傳遞函數(shù)接近線性。

  圖2. 熱電偶電動勢與溫度的關(guān)系

  當(dāng)系統(tǒng)處于室溫時,熱敏電阻應(yīng)指示室溫的值。熱敏電阻指示的是相對于冷結(jié)溫度的相對溫度,即冷結(jié)(熱敏電阻)與熱電偶的溫差。因此,在室溫時,熱電偶應(yīng)指示0°C。。

  如果將熱電偶放在一個冰桶中,熱敏電阻仍舊測量環(huán)境(冷結(jié))溫度。熱電偶應(yīng)指示熱敏電阻值的負(fù)值,使得總溫度等于0。

  最后,對于16.7 Hz的輸出數(shù)據(jù)速率和128倍的增益,AD7793的均方根噪聲等于0.088 μV。峰峰值噪聲等于:

  6.6 × 均方根噪聲 = 6.6 × 0.088 μV = 0.581 μV

  如果熱電偶的靈敏度恰好為40 μV/°C,則熱電偶的溫度測量分辨率為:

  0.581 μV ÷ 40 μV = 0.014°C

  圖3所示為實際的測試板。系統(tǒng)評估如下:分別在室溫時以及將熱電偶放入冰桶的情況下,測量熱敏電阻溫度、熱電偶溫度和分辨率。結(jié)果如表1所示。

  

  圖3. 采用AD7793的熱電偶系統(tǒng)

  從表1可知,熱電偶報告的溫度正確,熱敏電阻則有0.3°C的誤差。這是未包括線性化處理時的系統(tǒng)精度。如果對熱電偶和熱敏電阻進行線性化處理,系統(tǒng)精度將會提高,系統(tǒng)將能測量更寬的溫度范圍。

  如果每讀取10次就計算一次最小與最大溫度讀數(shù)之差,則用溫度表示的峰峰值噪聲為0.02°C。因此,實際的峰峰值分辨率非常接近期望值。

  常見變化

  AD7793是一款低噪聲、低功耗ADC。其它合適的ADC有 AD7792 和 AD7785,這兩款器件具有與AD7793相同的特性組合,但AD7792為16位ADC,AD7785為20位ADC。



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