广告

基于24位Σ-Δ型ADC的全集成式热电偶测量系统设计

时间:2021-05-31 作者:ADI 阅读:
热电偶一端放置在需要进行温度测量的地方,称为测量结。 热电偶的另一端连接精密电压测量单元,该连接称为参考结,或者称为冷结。 测量结和冷结之间的温差产生一个电压,其值与两个结点之间的温差成比例。 该温差产生的信号通常为数微伏至数十毫伏不等,具体取决于温度差值。本文简单介绍了利用热电偶进行设计的过程中常见的挑战,并提出基于信号调理解决方案的热电偶电路设计。
广告
EETC https://www.eet-china.com

热电偶是一种广泛用于温度测量的简单元件,是工业应用中最常用的温度测量传感器之一,具有成本低、坚固耐用、可重复性好,并具有很宽的工作温度范围和快速响应时间,尤其适合高温测量,例如C型热电偶最高可测量2300℃的温度,适用于如锅炉、热水器、烤箱和风机引擎等。

图1:包括测量结和参考结的热电偶连接

热电偶一端放置在需要进行温度测量的地方,称为测量结。 热电偶的另一端连接精密电压测量单元,该连接称为参考结,或者称为冷结。 测量结和冷结之间的温差产生一个电压,其值与两个结点之间的温差成比例。 该温差产生的信号通常为数微伏至数十毫伏不等,具体取决于温度差值。本文简单介绍了利用热电偶进行设计的过程中常见的挑战,并提出基于ADI公司的信号调理解决方案的热电偶电路设计。

良好的测温电路需要解决这些挑战

与众多传感信号检测电路设计一样,将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数面临诸多挑战,因为热电偶电压很小,温度与电压不是线性关系,而且还必须准确测量冷结温度。

电压信号太弱:最常见的热电偶类型有J、K和T型。在室温下,其电压变化幅度分别为52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它较少见的类型温度电压变化幅度甚至更小。这种微弱的信号在模数转换前需要较高的增益级。

因为电压信号微弱,信号调理电路一般需要约100左右的增益,尽管这本身并不具备挑战性,但更棘手的事情是如何识别实际信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长,经常穿过电气噪声密集环境。引线上的噪声可轻松淹没微小的热电偶信号。

一般结合两种方案来从噪声中提取信号。第一种方案使用差分输入放大器(如仪表放大器)来放大信号。因为大多数噪声同时出现在两根线上(共模),差分测量可将其消除。第二种方案是低通滤波,消除带外噪声。低通滤波器应同时消除可能引起放大器整流的射频干扰(1 MHz以上)和50 Hz/60 Hz(电源) 工频干扰。在放大器前面放置一个射频干扰滤波器(或使用带滤波输入的放大器)十分重要。50Hz/60Hz滤波器的位置无关紧要—它可以与RFI滤波器组合放在放大器和ADC之间,作为∑-Δ ADC滤波器的一部分,或可作为均值滤波器在软件内编程。

电压信号非线性是需要解决的另外一个挑战。热电偶响应曲线的斜率随温度而变化。例如,在0°C时,T型热电偶输出按39 μV/°C变化,但在100°C时斜率增加至47 μV/°C。

有三种常见的方法来对热电偶的非线性进行补偿。选择曲线相对较平缓的一部分并在此区域内将斜率近似为线性,这是一种特别适合于有限温度范围内测量的方案,这种方案不需要复杂的计算。K和J型热电偶比较受欢迎的诸多原因之一是它们同时在较大的温度范围内灵敏度的递增斜率(塞贝克系数)保持相当恒定。

第二种方法是将查找表存储在内存中,查找表中每一组热电偶电压与其对应的温度相匹配。然后,使用表中两个最近点间的线性插值来获得其它温度值。第三种方案使用高阶等式来对热电偶的特性进行建模。这种方法虽然最精确,但计算量也最大。每种热电偶有两组等式。一组将温度转换为热电偶电压(适用于参考接合点补偿)。另一组将热电偶电压转换成温度。

热电偶电路设计还可能遇到有其他挑战,例如如何尽可能精确地读取参考接合点—将精确温度传感器保持在与参考接合点相同的温度,任何读取参考接合点温度的误差都会直接反映在最终热电偶读数中。此外,设计热电偶信号调理时应在测量接地热电偶时避免接地回路,还要在测量绝缘热电偶时具有一条放大器输入偏压电流路径。这里不再赘述。

基于24位Σ-Δ型ADC的全集成式热电偶测量系统

2. AD7124-4/AD7124-8热电偶测量配置,包括RTD冷结补偿

T型热电偶的灵敏度约为40 μV/℃,是工业测温应用中常见的温度传感器,可测量−200℃至+400℃的温度,输出范围约−8.6 mV至+17.2 mV。图2所示电路采用T型热电偶,利用AD7124-8的集成PGA,可以轻松检测热电偶的小电压并将其精确转换为数字信号。 在一个较小范围(0℃至60℃)内,热电偶响应接近线性。 

为了在宽温度范围内实现精确测量,必须对实测值应用线性化处理,确保获得准确的温度值。此外,对于信号链而言,重要的是对热电偶保持较高的阻抗和较低的漏电流,以便实现最高精度。

AD7124-8提供集成式热电偶测量解决方案,可实现高分辨率、低非线性度误差和低噪声性能,以及极高的50 Hz/60 Hz抑制能力。该器件片内集成低噪声PGA,可放大热电偶的小信号,增益编程范围为1到128,因而可以直接与传感器接口。 增益级具有高输入阻抗,输入漏电流在全功率模式下不超过3.3 nA,在低功耗模式下为1 nA(典型值)。下面说明基于AD7124-8开发热电偶温度测量系统所用的不同元件,例如电源、外设接口等。

AD7124-8具有单独的模拟电源和数字电源。 数字电源IOVDD独立于模拟电源,可以为1.65 V至3.6 V范围内的值(以DGND为基准)。 模拟电源AVDD以AVSS 为基准,范围是2.7 V到3.6 V(低功耗模式和中功率模式)或2.9 V至3.6 V(全功率模式)。 图2所示电路采用单电源供电,因此AVSS与DGND相连,仅使用一个接地层。 AVDD和IOVDD电压利用低压差稳压器ADP1720分别产生。AVDD电压设置为3.3 V,IOVDD电压设置为1.8 V,采用ADP1720稳压器。 使用单独的稳压器可确保噪声最低。

AD7124-8可配置为8个差分或15个伪差分输入通道。AD7124-8的片内诊断功能可用来检查模拟引脚上的电平是否在额定工作范围以内。正(AINP)和负(AINM)模拟输入可以单独检查是否发生过压和欠压,以及ADC是否饱和。 当模拟输入上的电压超过AVDDSS时,欠压标志就会置1。对于图2所示电路,使用两个模拟输入引脚来连接热电偶(AIN2、AIN3),需要三个模拟引脚来进行冷结补偿(AIN1、AIN6、AIN7)。 AIN2和AIN3配置为全差分输入通道,用于测量热电偶产生的电压。 对于本电路,如图2所示,热电偶是浮空的。要将热电偶偏置到已知电平,AIN2上使能VBIAS电压发生器。

热电偶测量是绝对测量,因而需要一个基准电压源,使用AD7124-8内置2.5 V基准电压源。针对冷结补偿,一个激励电流源用于激励RTD。 此电流从AVDD产生,流向AIN1。对于本电路,冷结电路采用基准输入REFIN1(±)。 流经4线RTD(用于冷结测量)的电流也会流过精密基准电阻,产生基准电压。 此精密基准电阻上产生的电压与RTD上的电压成比例,因此,激励电流的波动会被消除。

另外值得一提的是滤波器。为了抑制调制器频率及其倍数处的干扰,必须使用这种滤波。差分滤波器(截止频率约为800 Hz)和共模滤波器(截止频率约为16 kHz)在模拟输入端和基准输入端实现。 AD7124-4/AD7124-8在片内数字滤波方面拥有很大的灵活性。有多种滤波器选项可用,所选的滤波器会影响输出数据速率、建立时间和50 Hz/60 Hz抑制性能。图2中电路可以实现sinc4滤波器和后置滤波器,在整个输出数据速率范围内具有出色的噪声性能,另外还有出色的50 Hz/60 Hz抑制性能。 后置滤波器用于提供50 Hz和60 Hz同时抑制,建立时间为40 ms。

本文小结

热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准方法,热电偶在相当宽的温度范围内提供稳定可靠的温度测量,本文提出基于AD7124-8/AD7124-4)解决这些问题的方案,AD7124-8是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端。 该器件内置一个低噪声24位Σ-Δ型ADC,可配置为提供8个差分输入或15个单端或伪差分输入。该方案具有低功耗、精密的全集成优势,是一款高性价比方案。

责编:Amy Guan 

EETC https://www.eet-china.com
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 泰斗微电子被判导航芯片专利侵权,赔偿u-blox 1100万元 2019年,u-blox发现泰斗微电子的TD1030芯片及相应模块与u-blox M8 GNSS接收机的功能相似后,就对泰斗微电子提出了版权和专利侵权的索赔。无独有偶,2019年3月泰斗微电子也在其官网宣称,经调查研究分析,发现u-blox AG在中国市场销售的多款产品涉嫌落入泰斗已授权专利的保护范围……
  • 长鑫19nm DDR4内存芯片良率已达75% ,17nm工艺爬升中 内存技术上,长鑫量产的第一代DDR4/LPDDR4芯片是19nm工艺,此前一直没有公布具体细节,日前兆易创新在一次会议上透露长鑫的19nm工艺良率已达75%。
  • LEDinside:中国LED芯片业的“战国七雄” 据TrendForce集邦咨询旗下光电研究处LEDinside研究,2020年中国大陆LED芯片厂商的LED芯片总营收(只算对外销售)为115亿人民币。同时,由于部分企业退出市场,LED芯片产业集中度进一步提升,目前大陆在产的LED芯片厂商约14家。其中,前三大LED芯片厂商的营收比重高达67%。厂商排名方面……
  • “工业4.0状况”全球调查结果 调查结果反映了工业自动化生态系统在发展工业4.0倡议方面的稳步进展,包括在制造生命周期中提高效率和智能的智能自动化、连接和分析。
  • eWisetech拆解三星 Galaxy F52:国产器件比例再度提高,首 在4G时代,手机内的PA等射频芯片基本被QORVO、Skyworks、Avago、村田和高通等国外公司所垄断;虽然伴随着5G时代的来临,国产PA芯片开始崭露头角,但根据目前eWisetech数据中显示,在三星这种国外手机品牌采用国产PA芯片是非常少见。
  • Cirrus Logic 同意以3.35亿美元收购 Lion Semiconduct 本次收购Lion Semiconductor,为Cirrus Logic旗下增加了快速充电 IC产品线,扩大了公司的高性能混合信号技术产品组合……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  •  C&K 宣布成立新的部门 - C&K  C&K 达成收购 E.I.S. 的协议, 新成立的 C&K 航空航天部门将致力于提供可靠性高的系统解决方案马萨诸塞州沃尔瑟姆 — 2021 年 7 月 27 日 — C&K 作为全球领先的
  • 电感器: TDK开发了用于汽车电源电 TDK株式会社(TSE:6762)开发了一系列用于汽车电源电路的薄膜金属功率电感器。新型TFM201210ALMA电感器的安装面积比TDK的传统产品TFM201610ALMA(2.0 mm(长)x1.6 mm(宽)x1.0 mm(高))缩小了约22%,并将于2021年8月开始量产
  • 高通将其下一个旗舰芯片组命名为骁龙898 本文由半导体产业纵横编译自ETTelecom.com。据著名的线人消息网站Mashable India报道,高通的下一个旗舰SoC(尚未正式公布)实际上将被命名为Snapdragon 898。热门消息
  • 注意啦!九项常被忽略的ADC技术规格 好文章当然要分享啦~如果您喜欢这篇文章,请联系后台添加白名单,欢迎转载哟~模数转换器(ADC)有很多规格,某些规格对于某个特定应用而言要比对于其他应用更重要。理解这些规格并控制影响ADC的外部器件将实
  • 系统设计面临五大难题,哪款 MCU 才是您的“芯”上之选? 点击上方蓝字关注我们!在新基建七大领域中,无论是人工智能,工业互联网,还是大数据中心,对实时计算、灵活快速联网和边缘分析的需求越来越高,传统 MCU 的功能已经无法满足新基建对更高性能的需求。此外,面
  • void 型指针的高阶用法,你掌握了吗? 关注+星标公众号,不错过精彩内容转自 | 嵌入式客栈要比较灵活的使用C语言实现一些高层级的框架时,需要掌握一些进阶编程技巧,这篇来谈谈void指针的一些妙用。测试环境采用 IAR for ARM 8.
  • 华中最大机器人仓库投入使用 这款机器人由北京理工大学、北京航空航天大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校以及天猫联合开发。 文|网络我国华中地区目前最大的机器人仓库已于 7 月 16 日在武汉投入使用。据称,这款机器人由
  • 优艾智合PCB工业物流智慧解决方案 PCB工艺制程连线搬运,适配复杂生产环境,覆盖不同工厂不同工序对接高度,实现生产全周期数据闭环,优化线边仓库管理。 文|新战略往期精选【专题】国产复合移动机器人影响力品牌AGV/AMR行业的
  • 只需要5个步骤,这些工具就可以改进你的电源设计~ 点击蓝字进入亚德诺半导体,然后右上角“设为星标”吧~由于没有典型的应用,设计正确的电源既重要又复杂。虽然尚未完全实现电源设计的自动化,但目前已存在一系列半自动化工具。本文通过电源设计过程的五个关键步骤
  • 智能穿戴设备应如何设计? 关注、星标公众号,直达精彩内容近年来,FitBit 和 Apple Watch 等智能可穿戴设备发展迅速,并受到广泛关注,同时,微型电容器、新材料、无线传输技术等领域的发展也为传感设备的可穿戴提供了更
  • SOM (System-on-Module):使用 SOM 的方法和理由 什么是 SOM (System-on-Module)?SOM (System-on-Module) 在随时可投入生产的单块印刷电路板 (PCB) 上提供嵌入式处理系统的各种核心组件,包括处理器内核、通
  • 为什么k8s会成为大厂标配? 关注+星标公众号,不错过精彩内容来源 | 极客时间未来的软件,从诞生起,就是生在云上,长在云上的。这个说法绝对不是没有根据的,看看现在的互联网大厂在做的事情,你就知道了: 阿里宣布
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了