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图1中的电路专为使用 ADT7320同时测量3个K型热电偶而设计,该器件是一款±0.25°C精度、16位数字SPI温度传感器。 热电偶电压测量 采用热电偶连接器和滤波器作为热电偶与AD7793 ADC之间的接口。每个连接器(J1、J2和J3)都直接与一组差分ADC输入相连。AD7793输入端的滤波器可在号到达ADC的AIN (+)和AIN(?)输入端之前降低任何热电偶引脚上叠加的噪声。AD7793集成片内多路复用器、缓冲器和仪表放大器,可放大来自热电偶测量结点的小电压号。 冷结测量 ADT7320精密16位数字温度传感器用于测量基准结(冷结) 温度,其精度在?20°C至+105°C温度范围内可达±0.25°C。 ADT7320完全经过工厂校准,用户无需自行校准。它内置一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位Σ-Δ型 ADC, 用来测量温度并进行数字转换, 分辨率为 0.0078°C。 AD7793和ADT7320均利用系统演示平台 (EVAL-SDP-CB1Z)由SPI接口控制。此外,这两个器件也可由控制器控制。 图2. EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板 图2显示带有3个K型热电偶连接器的EVAL-CN0172-SDPZ 电路评估板,AD7793 ADC, 和ADT7320温度传感器安装在独立柔性印刷电路板(PCB)的两块铜触点之间,用于基准温度测量。 图3是安装在独立柔性PCB上ADT7320 的侧视图,该器件插在热电偶连接器的两个铜触点之间。图3中的柔性PCB更薄更灵活,比小型FR4类PCB更具优势。它允许将ADT7320巧妙地安装在热电偶连接器的铜触点之间,以尽量降低基准结和ADT7320之间的温度梯度。 图3. 安装在柔性PCB上ADT7320的侧视图 小而薄的柔性PCB还能使ADT7320快速响应基准结的温度变化。 图4显示ADT7320的典型热响应时间。 图4.ADT7320典型热响应时间 本解决方案较为灵活,允许使用其它类型的热电偶,如J型或T型。本电路笔记中,选择K型是考虑到其更受欢迎。实际选用的热电偶具有裸露 。测量结位于探头壁(probe wall)之外,暴露在目标介质中。 采用裸露 的优势在于,它能提供 的热传导率、具有快的响应时间,并且成本低、重量轻。不足之处是容易受到机械损坏和腐蚀的影响。因此,不适合用于恶劣环境。但在需要快速响应时间的场合下,裸露 是 选择。若在工业环境中使用裸露 ,则可能需对号链进行电气隔离。可使用数字隔离器达到这一目的 (见 不同于传统的热敏电阻或电阻式温度检测器(RTD), ADT7320是一款完全即插即用型解决方案,无需在电路板装配后进行多点校准,也不会因校准系数或线性化程序而消耗处理器或内存资源。它在3.3 V电源下工作时的典型功耗仅为700μW,避免了会降低传统电阻式传感器解决方案精度的自发热问题。 精密温度测量指南 下列指南可确保ADT7320地测量基准结温度。 电源: 如果ADT7320 从开关电源供电,可能产生50 kHz以上的噪声,从而影响温度精度。为了防止此缺陷,应在电源和VDD. 之间使用RC滤波器。所用元件值应仔细考虑,确保电源噪声峰值小于1 mV 去耦: ADT7320必须在尽可能靠近 VDD 的地方安装去耦电容,以确保温度测量的精度。使用诸如0.1μF高频陶瓷类型的去耦电容。此外,还应使用一个低频去耦电容与高频陶瓷电容并联,如10μF 至 50 μF 钽电容。 热传导: 塑料封装和背面的裸露焊盘(GND)是基准结至ADT7320的主要热传导路径。由于铜触点与ADC输入相连,本应用中无法连接背面的焊盘,因为这样做会影响 ADC输入的偏置。 精密电压测量指南 下列指南可确保AD7793地测量热电偶测量结电压。 去耦:AD7793必须在尽可能靠近AVDD 和 DVDD 的地方安装去耦电容,以确保电压测量的精度。应将0.1 μF陶瓷电容与 10 μF钽电容并联,将AVDD去耦到GND。此外,应将0.1 μF 陶瓷电容与10 μF钽电容并联,将DVDD去耦到GND。 更多有关接地、布局和去耦技巧的讨论,请参考Tutorial MT-031 和 Tutorial MT-101 滤波:AD7793的差分输入用于热电偶线路上的大部分共模噪声。例如,将组成差分低通滤波器的R1、R2和C3放置在AD7793的前端,可热电偶引脚上可能存在的叠加噪声。C1和C2电容提供额外的共模滤波。由于输入ADC 的AIN(+)和AIN(?)均为模拟差分输入,因此,模拟调制器中的多数电压均为共模电压。AD7793的出色共模抑制(100 dB小值)进一步了这些输入号中的共模噪声。 本方案解决的其它难题 下文总结了本解决方案是如何解决前文提到的其它热电偶相关难题。 热电偶电压放大:热电偶输出电压随温度的变化幅度只有每度几μV。本例中所用的常见K型热电偶变化幅度为41μV/°C。这种弱的号在ADC转换前需要较高的增益级。 AD7793内部可编程增益放大器(PGA)能够提供的 增益为128。本解决方案中的增益为16,允许AD7793通过内部基准电压源运行内部满量程校准功能。 热电偶的非线性校正:AD7793在宽温度范围(–40°C至 +105°C)内具有出色的线性度,不需要用户校正或校准。为了确定实际热电偶温度,必须使用美国 标准技术研究院(NIST)所提供的公式将参考温度测量值转换成等效热电电压。此电压与AD7793测量的热电偶电压相加,然后再次使用NIST公式将两者之和再转换回热电偶温度。另一种方法涉及查找表的使用。然而,若要获得同样的精度,查找表的大小可能有较大不同,这就需要主机控制器为其分配额外的存储资源。所有处理均通过EVAL-SDP-CB1Z以软件方式完成。EVAL-SDP-CB1Z以软件方式完成。 欲查看完整原理图和EVAL-CN0172-SDPZ的布局,请参见 CN-0172设计支持包: zyclxmzsw 常见变化 对于精度要求较低的应用,可用 AD7792 16位Σ-Δ 型ADC 替代 AD7793 24位Σ-Δ 型ADC对于基准温度测量,可用 ±0.5°C精度的 ADT7310 数字温度传感器替代±0.25°C精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。
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1: 简介 在现代化的工业现场,常用热电偶测试高温, 测试结果送至主控机或者由数字显示设备显示出来; 本文介绍采用纮康科技HY11P12实现热电偶测温及显示解决方案。 2:热电偶测温原理说明 2.1 引言 热电偶是工程应用广泛的温度传感器之一,它具有构造简单,使用方便。准确度,热惯性及复现性好,温度测量范围宽等优点,适用于信号的远传,自动记录和集中控制,在温度测量占有重要的地位。 其优点是有三: 一、 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响。 二、 测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶 到-269℃(如金铁镍铬), 可达+2800℃(如钨-铼)。 三、 构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制。 2.2:热电偶原理 热电偶的测温原理基于热电效应。其是将两种不同材料的导体 A 和 B 串接成一个闭合回路,当两个接点 1 和 2 的温 度不同时,如果 T > T 0 (如上图 2-1热电效应), 在回路中就会产生热电动势, 在回路中产生一定大小的电流,此种现象称为 热电效应 。 图2-1 热电动势记为 EAB ,导体 A 、 B 称为热电极。接点 1 通常是焊接在一起的, 测量时将它置于测温场所感受被测温度,故称为测量端(或工作端,热 端)。接点 2 要求温度恒定,称为参考端(或冷端)。 2.3 测量及冷端补偿原理 在实际的测量系统中,冷端不可能恒定,因此测量是我们需要测量冷端温度,来补偿热热端温度; 因此在实际测量计算公式: 实际温度=热端热电势对应温度值 + 冷端温度 所以在测量系统中我们需要用热电偶热电势,及冷端的温度,在通过上面的计算公式计算测我们实际的测量温度; 3: 系统架构及原理说明 HYCON HY11P 系列集成高精度σ-δ ADC单片机,内置 温度传感器;同时通过信号转置器,可进行短路或者交叉测量; 3.1:测量网络图 图1:测量网络图 3.2:ADC 网络设置 叁考电压: 热电耦信号输入: VR+: VDDA S+: AIN0 VR-: VSS S-: AIN1 3.3:测量原理及计算 3.3.1远端的测量 ADC输入信号采用交叉量测的方式以扣除OFFSET,计算公式如下: Vin=VADC2+VADOffset……(1) -(Vin)=VADC1+VADOffset……(2) Vin=[(1)-(2)]/2=[VADC2-VADC1]/2 (备注:通过交叉测量可以减小信号线的OFFSET) 3.3.2:冷端的测量 冷端主要是测量采用内部TPS来测量冷端的温度,其量测方式如下: TPS 计算方式: 3.4:校正及其计算 DEMO采用两点校正,在校正过程中确保冷端的环境温度两点都是一样的。校正点的ADC为:VIN50,VIN250,以50°,250°为校正点为例: 250°= GAIN*VIN250+{ ( / TPSGAIN)-289}……………….(1) 50°= GAIN*VIN50+ {( / TPSGAIN)-289}…………………(2) (备注:GAIN 为热电偶测温度校正系数,VIN250为250C校正点对应ADC 输出内码,VIN50为50C校正点对应ADC 输出内码, TPGAIN 为内部TPS斜率常数) 联立解方程式(1),(2)求出GAIN 把GAIN带入(1),计算出目前环境温度TEMP; 把环境温度带代入(3)求出TPS的斜率: TPSGAIN=/(289+TEMP)……………………………………………(3) 实际测量温度=GAIN* VIN + {( / TPSGAIN) -289} (备注:VIN为热电偶输入信号ADC值) 3.5:电路图 4: 芯片规格 4.1:操作环境 芯片数字电压:2.2V to 3.6V@±0.1V 芯片模拟电压:2.4Vto 3.6V@±0.1V 芯片操作电流:(VDDA not Load) 800uA@ ADC、no buffer 350uA@Analog off 休眠电流:0.8uA 操作温度范围:–40°C to +85°C 4.2:模拟SD18 分辨率/RMS noise 15 bit Noise-Free/100nV @ 8Hz、Gain=128、ACM=1.2V 18 bit Noise-Free/1.6uV @ 8Hz、Gain=1、ACM=1.2V 4.3:输入讯号 测量讯号:热电偶输入且冷端采用芯片内置TPS温度传感器 本文引用地址: 5:结论 此应用解决方案采用HY11P12完成热电偶测温系统,具有以下特点: ? 电路简单,且具有高精度,低温漂系数; ? 使用内建的TPS 温度传感器可简单的实现冷端; 6:参考数据 1:HY11P12 Datasheet: 2:User’s Guide:
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