簡介

　　熱電偶是使用廣泛的溫度測量器件之一。無論是工業(yè)、商業(yè)還是科研應用，熱電偶都能在許多寬溫度范圍環(huán)境下提供、高性價比的溫度測量解決方案。然而，熱電偶的基本工作原理常常遭到誤解，導致發(fā)生嚴重的測量誤差。本應用筆記將回顧熱電偶的基礎知識，并且說明使用單芯片IC AD594/AD595的熱電偶信號調理電路設計。

　　回顧基礎

　　熱電偶的基本原理于1821年由托馬斯·塞貝克發(fā)現(xiàn)。讓兩種異質金屬的兩端相接合，并且在一端加熱時，所形成的環(huán)路中將產生電流。如果在中心位置斷開環(huán)路，將產生與兩結溫差成正比的開路電壓（即"塞貝克電壓"）。因此，要確定測量結的溫度，必須知道參考結的溫度。

　　冰池可為參考結提供明確定義的0°C溫度，它已成為許多金屬組合的熱電偶輸出電壓與溫度關系表的標準參考點。

　　這些組合已由美國國家標準技術研究院（前身為美國國家標準局）測定并分類，下表列出了一些常用熱電偶的類型、組成和特性。

表I. 熱電偶特性

　　通常使用電壓表來測量塞貝克電壓，然而，將其與熱電偶相連時必須特別小心。參考圖1c,熱電偶與電壓表的連接處形成了兩個額外結J2和J3,這兩結會在熱電偶環(huán)路中產生相反的電壓。在連接點處使用一個等溫塊，使這些結保持熱均衡，產生相同但相反的電動勢。這樣，測得的電壓將等于測量結與用作參考結的等溫塊之間的電位差。

圖1a. 熱電偶環(huán)路

圖1b. 冰點基準

圖1c. 利用電壓表測量熱電偶電壓

圖1d. 冷結補償

　　實用熱電偶測量

　　對于大多數(shù)應用，使用冰池提供參考結溫度并不現(xiàn)實。通過補償參考結產生的電壓，可以不使用冰點基準。這可以通過向熱電偶環(huán)路增加一個電壓來實現(xiàn)，該電壓等于參考結的電壓，但方向相反。AD594/AD595系列熱電偶信號調理IC就內置這樣一個電路，它不僅提供冷結補償，而且提供放大和熱電偶開路檢測功能。

　　AD594/AD595電路描述

　　圖2為熱電偶信號調理IC AD594/AD595的功能框圖。J型（用于AD594）或K型（用于AD595）熱電偶連接到儀表放大器差分級的輸入引腳1和引腳14,該輸入放大器內置于一個以本地溫度作為基準的環(huán)路中。IC也處于本地溫度，冰點補償電路產生一個電壓，它等于以本地溫度為基準的熱電偶環(huán)路的偏差。然后將該電壓施加于第二前置放大器，其輸出與輸入放大器的輸出相加，所得到的輸出再施加于主輸出放大器的輸入，并通過反饋設置合并信號的增益。冰點補償電壓經調整，與一個以冰池為基準的IC溫度測量熱電偶產生的電壓相等，該電壓然后與以本地溫度為基準的環(huán)路電壓相加，所得即為相對于冰點的環(huán)路電壓。

圖2. AD594/AD595功能框圖

　　在反饋路徑中，主放大器的輸入保持平衡。如果熱電偶損壞或器件輸入端開路，這些輸入將變得不平衡，IC就會檢測到故障；過載檢測電路驅動一個限流n-p-n晶體管，可以將其連接為報警電路。

　　雖然這些IC專門針對J型或K型熱電偶進行了校準，但經過重新校準，也可以用于其他類型熱電偶。這些IC具有連接到內部溫度控制電壓和反饋節(jié)點的引腳，可用于執(zhí)行重新校準。

　　AD594/AD595輸出電壓解讀

　　為產生10 mV/°C的溫度比例輸出，以及在額定工作溫度范圍內提供一個的參考結，AD594/AD595的增益在工廠進行過調整，與+25°C時J型和K型熱電偶的傳遞特性匹配。在該校準溫度，J型熱電偶的塞貝克系數(shù)（即給定溫度下熱電壓相對于溫度的變化率）為51.70 μV/°C,K型為40.44 μV/°C.要實現(xiàn)10 mV/°C輸出，AD594的增益需設置為193.4,AD595的增益需設置為247.3.雖然器件經過調整，在+25°C提供250 mV輸出，但輸入失調誤差會帶入輸出放大器中，導致AD594和AD595分別具有16 μV和11 μV的失調電壓。為了確定AD594/AD595的實際輸出電壓，應使用下列方程式：

　　AD594輸出 = （J型電壓 + 16 μV） × 193.4

　　AD595輸出 = （K型電壓 + 11 μV） × 247.3

　　其中，J型和K型電壓來自以0攝氏度為基準的熱電偶電壓表。

　　必須注意，熱電偶的輸出僅在很窄的溫度范圍內是線性的。在寬溫度范圍內，塞貝克系數(shù)會引入非線性項。AD594/AD595不提供線性化功能，任何線性化技術必須在外部執(zhí)行，這將涉及到利用高階多項式計算熱電偶溫度。美國國家標準技術研究院針對不同熱電偶類型提供了多項式系數(shù)表，線性化過程中可以使用。

　　性能優(yōu)化

　　冷結誤差

　　當熱電偶冷結與器件處于熱均衡時，AD594/AD595能夠實現(xiàn)性能。避免在AD594/AD595附近放置發(fā)熱器件或元件，因為這可能產生冷結相關誤差。AD594/AD595的額定環(huán)境溫度范圍為0°C至+50°C,其冷結補償電壓與熱電偶輸出在此范圍內的擬合直線匹配。在此范圍外工作會產生額外誤差。表II列出了各種環(huán)境溫度下的計算誤差。

表II. 各種環(huán)境溫度下的計算誤差

　　電路板布局布線

　　圖3所示的電路板布局（具有可選校準電阻）在冷結與AD594/AD595之間實現(xiàn)了熱均衡。封裝溫度與電路板在引腳1和引腳14下通過銅印刷電路板走線進行熱接觸。參考結由銅-康銅（或銅-鎳鋁）連接和銅-鐵（或銅-鎳鉻）連接構成，兩者與IC處于熱均衡狀態(tài)。

圖3. PCB布局布線

　　焊接

　　為將熱電偶焊接到PC走線，需要采用合適的焊接技術并適當?shù)剡M行表面處理。焊接之前應清潔熱電偶導線，消除氧化。非腐蝕性焊劑可以與以下焊料一起使用：95%錫-5%銻、95%錫-5%銀或90%錫-10%鉛。

　　偏置電流回路

　　AD594/AD595的輸入儀表放大器需要為其輸入偏置電流提供一個返回路徑，因而不可以是懸空的。如果熱電偶測量結進行電氣隔離，則IC的引腳1應連接到電源公共地引腳4.在某些應用中，無法將熱電偶直接連接到公共地。從引腳1到公共地的電阻可提供偏置電流返回路徑，但當100 nA偏置電流流過其中時，會產生額外的輸入失調電壓。如果熱電偶必須在測量結接地，或者存在一個較小的共模電位，則引腳1與引腳4之間不應連接。

　　噪聲抑制

　　檢測熱電偶提供的低電平輸出電壓時，降噪是首要問題。無論是內部產生的還是輻射源引起的，噪聲都是限制動態(tài)范圍和分辨率的因素之一。解決噪聲問題涉及到消除噪聲源和/或屏蔽。當無法控制或識別噪聲源時，屏蔽更有效。

　　使用長導線熱電偶時，噪聲可能會進入AD594/AD595輸入放大器。為了確定該噪聲路徑是否是元兇，應將熱電偶與AD594/AD595斷開連接，并將引腳1和引腳14連接到引腳4,此時AD594/AD595引腳9的輸出電壓將指示環(huán)境溫度（+25°C為250 mV）。如果輸出端（引腳9）的噪聲消失，則需要屏蔽輸入端。屏蔽熱電偶導線（屏蔽體連接到IC的引腳4）能夠有效抑制噪聲。如果輸出中仍然存在噪聲，則噪聲可能是通過電源進入電路，適當?shù)碾娫磁月泛腿ヱ羁梢跃徑膺@一狀況。

　　放大信號之前，對熱電偶輸入進行濾波將會衰減噪聲。圖4顯示了一個有效的輸入濾波器，它由一個電阻和一個電容組成，電阻與引腳1串聯(lián)，電容連接在該引腳與地之間。輸入偏置電流流過電阻時會產生失調電壓。由于反相輸入端（引腳14）的輸入偏置電流隨輸入電壓而變化，因此與此輸入端串聯(lián)的任何電阻都會產生一個輸入相關的失調電壓。所以，強烈建議將此引腳直接連接到公共地。此外，當熱電偶損壞時，輸入引腳之間的電容會增加報警電路的響應時間。

圖4. 輸入濾波

　　添加電容到頻率補償引腳（引腳10）會使AD594/AD595輸出放大器的帶寬滾降，從而限制噪聲。無補償時，3 dB帶寬約為10 kHz.引腳10與引腳11之間連接一個0.1 μF電容時，3 dB點降至120 Hz.然而，這種技術只有在噪聲未將輸入級驅動至飽和時才有用。

　　調整校準誤差

　　AD594/AD595按性能分為兩種等級，經過工廠調整，其校準誤差分別為1°C或3°C.對于多數(shù)應用，這一誤差范圍是可以接受的。但是，通過增加圖5所示的可選調整電路，可以將該誤差調零。向引腳5注入大約3°C的負偏移，調整電位計向引腳3提供平衡電流，從而消除校準誤差。

圖5. 可選校準電路

　　偏移和增益變化

　　AD594/AD595設計在0°C 時提供0 V輸出，標稱增益為10 mV/°C,但也可輕松實現(xiàn)其他范圍。向引腳8施加一個偏移電壓，可以更改0輸出溫度。此電壓的幅度利用給定熱電偶溫度下的AD594/AD595輸出電壓方程式計算。增益可以輕松改變，給標稱47 kΩ反饋電阻添加串聯(lián)電阻可提高增益，并聯(lián)電阻可降低增益。下面的方法闡釋了這一原理。

圖6. 偏移和增益變化

　　1. 選擇一個溫度范圍T1-T2.

　　2. 根據(jù)此范圍，確定將輸出范圍限制在（-VS + 2.5）至（+VS - 2）（雙電源供電）或0至（+VS - 2）（單電源供電）的輸出靈敏度（mV/°C）。

　　3. 計算選定的溫度范圍的平均熱電偶靈敏度：（V_T1-V_T2）/（T1-T2）。

　　4. 將所需輸出靈敏度（mV/°C）除以平均熱電偶靈敏度（mV/°C），產生AD594/AD595的新增益（G）。

　　5. 測量引腳8與引腳5之間的實際反饋電阻RFB.

　　6. RIN = RFB/193.4 -1,其中RFB為實測反饋電阻。注意：AD595使用247.3代替193.4.

　　7. 新反饋電阻REXT = （G × 1）（RIN）。

　　電流模式傳輸

　　在許多應用中，AD594/AD595可能位于高噪聲、遙遠的位置，其輸出需驅動很長的電纜。在這些嚴苛條件下，電流傳輸能夠更好地抑制噪聲，消除電纜電阻引起的誤差。圖7所示電路可將AD594/AD595的輸出轉換為電流，然后在控制點再轉回電壓。引腳9的反饋電壓迫使RSENSE兩端的電壓等于熱電偶電壓。利用所示的RSENSE值，可得出電流輸出比例因子為10 μA/°C.注意，AD594/AD595靜態(tài)電流會流過該檢測電阻，從而將測量溫度限制為16°C.AD711運算放大器在控制點將此電流轉回標稱10 mV/°C.總誤差取決于AD594/AD595校準誤差以及檢測電阻與控制點上用于電流至電壓轉換的1 kΩ電阻之間的匹配。

圖7. 電流模式傳輸

　　溫度頻率轉換

　　將AD594/AD595電壓輸出轉換為頻率，可以產生數(shù)字形式的輸出。這種形式不僅支持長距離傳輸?shù)脑肼曇种疲夷芴峁┛梢耘c計算機直接接口的信息。低成本電壓頻率轉換器AD654可將10 mV/°C電壓輸出轉換為TTL兼容的方波輸出。如圖8所示，整個系統(tǒng)采用5 V單電源供電，提供0°C至+300°C的溫度測量范圍。為了維持AD594/AD595（電源以下2.5 V）的輸出擺幅，熱電偶溫度越高，則所需的電源電壓越高。AD594/AD595輸出電壓通過一個串聯(lián)電阻連接到AD654輸入端，產生0 mA至1 mA滿量程電流。電容CT決定滿量程輸出頻率，可用頻率為500 kHz,非線性誤差為0.4%.也可以實現(xiàn)其他溫度范圍和輸出頻率。欲了解更多信息，請參考AD654數(shù)據(jù)手冊。

圖8. 溫度頻率轉換

　　華氏輸出

　　可以配置AD594/AD595以產生與華氏溫度成比例的電壓。攝氏度到華氏度的換算是將攝氏溫度乘以9/5,再加上32度的偏移。該偏移是通過向引腳3注入200 nA/°C的電流而產生，同時提高反饋電阻以支持9/5的增益。輸出校準程序如下：

　　1. 斷開熱電偶，向引腳1和引腳14施加10 mV p-p、100 Hz交流信號。

　　2. 調整RGAIN以在引腳9獲得3.481 V （AD594）或4.451 V （AD595）的峰峰值輸出。

　　3. 連接熱電偶并測量0°C,調整ROFFSET直到引腳9的輸出讀數(shù)為320 mV.

　　基于華氏輸出的理想傳遞函數(shù)為：

　　AD594輸出 = （J型電壓 + 919 μV） × 348.12AD595輸出 = （K型電壓 + 719 μV） × 445.14在熱電偶的可用范圍內，這將產生更高的輸出電壓擺幅，從而需要更高的電源電壓來維持輸出電壓（電源以下2.5 V）。

圖9. 華氏輸出

　　平均溫度

　　將多個熱電偶并聯(lián)到AD594/AD595輸入端，可以測量平均結溫。如圖10所示，各有一個300 Ω電阻與每個熱電偶的一端串聯(lián)，用以限制在熱電偶分支之間流動的電流。當熱電偶溫度高于或低于平均值時，將產生正或負壓降。

圖10. 測量平均溫度

　　多路復用熱電偶

　　多個熱電偶可以通過ADG507A等外部CMOS模擬多路復用器連接到單個AD595/AD595器件。為確保正常工作，熱電偶、多路復用器與AD594/AD595輸入端之間的互連全部采用銅，并且通過等溫塊保持熱均衡。如圖11所示，一個熱電偶用來測量IC溫度，以及抵消等溫塊處的參考結電壓。多路復用器使能時，由等溫塊處的熱電偶連接形成的康銅（鎳鋁）-銅結與參考熱電偶連接形成的銅-康銅（鎳鋁）結串聯(lián)。

圖11. 多路復用輸入

　　由于等溫塊溫度相等，該串聯(lián)連接產生相等但極性相反的電壓。在此條件下，AD594/AD595內部冷結補償電路現(xiàn)在補償IC處的參考結，它必須保持0°C至+50°C之間的溫度。但應注意，等溫塊可以處于任何方便的溫度或位置。未用的多路復用器輸入端應連接到公共地，使雜散信號拾取。為防止AD594/AD595輸入端懸空而引起輸出飽和，應將多路復用器的使能輸入連接到+5 V,使其使能。