通過兩種不同的單芯片熱電偶放大器解決方案了解熱電偶信號(hào)調(diào)理和熱電偶非線性：AD849x系列和LT1025。

的輸出 熱電偶 是一種小電壓，通常每°C變化數(shù)十微伏。 這種低電平信號(hào)需要大量放大，然后才能被典型的ADC數(shù)字化。此外，熱電偶輸出應(yīng)補(bǔ)償來自非零冷端溫度。在上一篇文章中，我們研究了 熱電偶信號(hào)調(diào)理電路。

本文概述了兩種不同的單片熱電偶解決方案： AD849x系列 和 LT1025.本系列的下一篇文章將繼續(xù)討論，并概述MAX6675.

單芯片熱電偶放大器—AD849x示例

接下來，我們來看一下圖1所示AD849x的功能框圖。

圖1. AD849x框圖圖片由 ADI公司

該器件包括一個(gè)低失調(diào)、固定增益 儀表放大器 以及內(nèi)置冷端補(bǔ)償 （CJC）
電路。該系列中的每個(gè)器件均針對(duì)J型或K型熱電偶進(jìn)行了工廠校準(zhǔn)。AD849x可以直接將熱電偶的小輸出轉(zhuǎn)換為變化為5 mV/°C的高電平信號(hào)。

以下公式可用于求熱結(jié)溫度（T美杰） 的熱電偶：

等式 1.

其中 VREF 是 REF 引腳上的電壓。例如，如果AD8494產(chǎn)生250 mV和V的輸出VREF =0，熱端在50°C。

熱電偶信號(hào)調(diào)理：IC和冷端處于相同溫度

使用單片熱電偶解決方案時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)一般要求是，這些器件應(yīng)放置在靠近熱電偶的冷端附近（圖2）。

圖2. 顯示AD849x結(jié)路口的示意圖。 圖片由 ADI公司

熱電偶信號(hào)調(diào)理器使用集成的溫度傳感器進(jìn)行CJC。這 溫度傳感器

實(shí)際上測(cè)量芯片溫度而不是熱電偶的冷端。因此，為了更準(zhǔn)確地測(cè)量冷端溫度，信號(hào)調(diào)理器應(yīng)靠近冷端。這應(yīng)該不難，特別是對(duì)于AD849x等采用3.2 mm×3.2

mm×1.2 mm封裝的信號(hào)調(diào)理器。

AD849x封裝與冷端之間的任何溫差在最終測(cè)量值處都表現(xiàn)為溫度誤差。除了在AD849x和冷端之間使用短走線外，最大限度地降低IC的功耗以避免在PCB上產(chǎn)生溫度梯度也很重要。這就引出了關(guān)于熱電偶信號(hào)調(diào)理器的另一個(gè)重要點(diǎn)：這些器件通常只從電源吸收少量電流，以盡量減少自發(fā)熱效應(yīng)。例如，AD849x的電流消耗為180

μA。如果需要，AD849x可為負(fù)載提供超過±5 mA的電流;然而，提供大量輸出電流會(huì)導(dǎo)致溫度梯度，并在我們的測(cè)量中引入誤差。

AD849x的非線性誤差

雖然熱電偶表現(xiàn)出非線性輸入-輸出特性，但公式1表明AD849x的輸出是熱結(jié)溫度的線性函數(shù)。需要注意的是，AD849x線性放大（冷結(jié)補(bǔ)償）熱電偶信號(hào)。因此，放大后的輸出實(shí)際上與熱電偶信號(hào)一樣非線性。因此，公式1給出的線性函數(shù)僅近似于系統(tǒng)的實(shí)際非線性響應(yīng)。

雖然AD849x不會(huì)主動(dòng)校正熱電偶非線性，但它是基于目標(biāo)溫度范圍內(nèi)的傳感器特性曲線線性模型設(shè)計(jì)的。換句話說，一條“最適合”的直線

所支持傳感器的非線性特性（Link 200）

用于對(duì)內(nèi)部放大器進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。這最大限度地減少了公式1提供的線性模型的非線性誤差。在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，該方程預(yù)測(cè)的值的線性誤差應(yīng)小于±2°C。

下表給出了該系列每個(gè)部分的溫度范圍。

表 1. 使用的數(shù)據(jù)由以下機(jī)構(gòu)提供 ADI公司

AD849x ±2 °C精度溫度范圍

部分熱電偶類型 最大誤差環(huán)境溫度范圍測(cè)量溫度范圍

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

請(qǐng)注意，該系列中的每個(gè)器件都經(jīng)過預(yù)調(diào)整，以匹配J型或K型熱電偶的特性。 本應(yīng)用說明
討論了可顯著改善AD849x線性度的算法。 圖3顯示了AD8495的非線性誤差，以及采用和不使用校正算法的參考設(shè)計(jì)的非線性誤差。

圖4. AD8495的非線性誤差曲線圖。 圖片由 ADI公司

在這種情況下，線性度改進(jìn)算法將誤差降低到±0.5°C以下。

AD849x基準(zhǔn)電壓源（REF）引腳功能

當(dāng)熱電偶的測(cè)量（或熱）結(jié)的溫度低于其參考（或冷）結(jié)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓。 因此，如果需要測(cè)量負(fù)溫度，應(yīng)考慮可以處理負(fù)電壓的信號(hào)調(diào)理電路。 顯而易見的解決方案是使用采用雙電源供電的放大器。 即使系統(tǒng)設(shè)計(jì)為采用單電源供電，AD849x也可以解決這個(gè)問題。 為此，我們可以通過向基準(zhǔn)引腳（REF）施加適當(dāng)?shù)恼妷簛韺?duì)輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 在這種情況下，當(dāng)測(cè)量結(jié)處于負(fù)溫度時(shí)，輸出將低于VREF（公式1）。 當(dāng)我們需要對(duì)輸出進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換以匹配信號(hào)鏈中后續(xù)電路的輸入范圍時(shí)，REF引腳也很有用。

另一個(gè)單片式熱電偶示例解決方案 — LT1025

凌力爾特的 LT1025
是另一種用于冷結(jié)補(bǔ)償?shù)膯纹浇鉀Q方案。 雖然AD849x同時(shí)包含一個(gè)內(nèi)部放大器和一個(gè)CJC電路，但LT1025僅產(chǎn)生冷結(jié)補(bǔ)償電壓。 該IC的功能框圖如圖5所示。

圖5. LT1025 的框圖。 圖片由 凌力爾特

該器件檢測(cè)封裝溫度并產(chǎn)生10 mV/°C緩沖輸出。 然后將該電壓施加到電阻分壓器，以產(chǎn)生適用于不同類型熱電偶的輸出。 如您所見，LT1025 支持
E、J、K、T、R 和 S 型熱電偶。 要了解模擬CJC電路背后的理論， 請(qǐng)參考這篇文章。

使用示例放大器探索熱電偶應(yīng)用

圖6顯示了如何使用該器件操作K型熱電偶。

圖6. K型熱電偶的操作示意圖。 圖片由 凌力爾特。

這 LTKA0x 是專為熱電偶應(yīng)用設(shè)計(jì)的放大器。 它具有低失調(diào)（《 35 μV）和漂移（《1.5 μV/°C）。 此外，其偏置電流也非常低（《1
nA），這使我們能夠在放大器輸入端包含具有相對(duì)較大電阻（在10至100 kΩ范圍內(nèi)）的濾波器，而不會(huì)產(chǎn)生明顯的失調(diào)和漂移效應(yīng)。

與AD849x不同，LT1025解決方案將放大器和冷結(jié)補(bǔ)償模塊分開。 這有助于最大限度地降低CJC芯片的功耗，從而最大限度地減少自發(fā)熱效應(yīng)。 LT1025僅需80
μA電流，遠(yuǎn)低于AD849x的180 μA電流。 由于電流消耗很小，當(dāng)電源電壓低于10V時(shí)，LT1025的內(nèi)部溫升不到0.1 °C。

解決熱電偶非線性問題

如果您熟悉 CJC 電路，那么 LT1025背后的理論對(duì)您來說應(yīng)該相對(duì)簡(jiǎn)單; 但是，另一個(gè)值得更多解釋的功能是“弓形校正電壓”模塊。 該模塊在溫度傳感器產(chǎn)生的10mV/°C電壓上增加了一個(gè)非線性項(xiàng)。 添加該非線性項(xiàng)是為了解決CJC電路中的熱電偶非線性誤差。 基本的CJC電路嘗試將直線擬合到熱電偶特性曲線上，并使用該最佳擬合線在冷結(jié)溫度范圍內(nèi)再現(xiàn)熱電偶輸出。 然而，LT1025的輸出由兩個(gè)不同的項(xiàng)組成：一個(gè)與溫度成比例的線性項(xiàng)，加上一個(gè)與溫度偏差與 25 °C 平方成正比的二次項(xiàng)。 理想情況下，LT1025 應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下公式：

T 表示溫度

選擇 \\（\\beta\\） 值是為了減小 LT1025
所有熱電偶輸出中的非線性誤差。 請(qǐng)注意，此二次項(xiàng)試圖改進(jìn)CJC電路中使用的熱電偶模型。 換句話說，它降低了CJC電路的非線性誤差，但不能補(bǔ)償熱電偶本身的非線性誤差。

現(xiàn)在您已經(jīng)熟悉了AD849x和LT1025的一些重要特性，建議您查看這些器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。 在這里，您可以找到有關(guān)這些產(chǎn)品更具體用例的其他詳細(xì)信息和各種有用的電路圖。