AN-2563: 热电偶温度测量系统，耗用电流低于 500 μA
电路功能与优势
图 1 所示电路是一个基于 24 位 Σ-Δ 型模数转换器(ADC) AD7793 的完整热电偶系统。AD7793 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，内置可编程增益放大器(PGA)、基准电压源、时钟和激励电流，从而大大简化了热电偶系统设计。AD7793 的最大功耗仅 500 μA，因而适合低功耗应用，例如整个发送器的功耗必须低于 4 mA 的智能发送器等。AD7793 还具有关断选项。在这种模式下，整个 ADC 及其辅助功能均关断，器件的最大功耗降至 1 μA。
AD7793 提供一种集成式热电偶解决方案，可以直接与热电偶接口。冷端补偿由一个热敏电阻和一个精密电阻提供。该电路只需要这些外部元件来执行冷端测量，以及一些简单的 RC 滤波器来满足电磁兼容性(EMC)要求。
电路描述
本电路使用 T 型热电偶。该热电偶由铜和康铜构成，温度测量范围为−200°C 至+400°C，产生的温度相关电压典型值为 40 μV/°C。
在其完整温度范围的一小部分（0°C 至 60°C）内，热电偶响应接近线性（见图 2）。
冷端补偿
热电偶测量两点之间的温度差，而不是绝对温度。要测量单个温度，请将其中一个结点（通常是冷端）保持在已知的参考温度，而将另一个结点置于待测温度处。
对于大多数应用来说，维持一个已知温度的结点并不方便。因此，可以在印刷电路板(PCB)上放置一个热敏感器件。此热敏电阻用于测量热电偶输入连接处的温度。热敏电阻安装在热电偶连接处的金属片内，以尽量减少可能存在的温度梯度。
由于对已知冷端的电压进行了模拟，因此可以应用适当的校正。有关处理和操纵热电偶和热敏电阻电压以产生准确温度读数的更多信息，请参见热电偶线性化部分。
ADC通道1配置，热电偶
热电偶的温度范围为−200°C 至+400°C。热电偶产生的温度相关电压典型值为 40 μV/°C。该电压产生的热电偶电压范围为−8 mV 至+16 mV。
读取热电偶电压时，ADC 使用外部 2 V 基准电压，并将增益配置为 64。因此，模拟输入电压范围为±31.25 mV（±VREF/增益）。对于 64 倍的增益，模拟输入端的绝对电压必须在 GND + 300 mV 至AVDD− 1.1 V 范围内。
AD7793 采用单电源供电，热电偶产生的信号必须被偏置到地以上，从而处于该 ADC 支持的范围。AD7793 片上集成的偏置电压发生器偏置热电偶信号，使其共模电压为AVDD/2。
ADC通道2配置，热敏电阻
ADC 的第二通道监控热敏电阻上产生的电压，该热敏电阻由 AD7793 的电流输出引脚之一驱动。1mA 激励电流用于驱动热敏电阻和精密电阻（2 kΩ、0.1%）的串联对，如图 1 所示。
热敏电阻值在 0°C (815 Ω)至 30°C (1040 Ω)范围内变化，产生的电压信号范围为815 mV至1040 mV。精密电阻产生 2.0 V 电压，用作外部基准电压。当增益为 1 时，模拟输入范围为±2 V（±VREF/增益）。该架构形成一种比率式配置。激励电流值的变化不会改变系统的精度。
假设 0°C 至 30°C 的传递函数为线性，则冷端温度与热敏电阻 R 之间的关系为：
还需要考虑 AD7793 IOUT1 引脚的输出顺从电压。当使用 1 mA 激励电流时，输出顺从电压等于 AVDD − 1.1 V。满足这一要求的原因是，IOUT1 的最大电压等于精密电阻两端的电压加上热敏电阻两端的电压，即 2 V + 1.04 V = 3.04 V。
输出编码
任一通道上输入电压的输出代码为：
其中：
AIN 为模拟输入电压。
GAIN 为仪表放大器设置。
N = 24.
热电偶线性化
如电路描述部分所述，热电偶仅在较小温度范围内接近线性。事实上，在其余温度范围内，热电偶表现出高度非线性特性。
美国国家标准与技术研究院提供了热电偶的ITS-90 查找表。每张表包含热电电压(mV)及其对应温度的列表。
为了实现上文提到的冷端补偿，请查阅 T 型热电偶查找表，搜索与冷端温度相关的热电电压。然后，从查找表的每个值中减去该热电电压，得到冷端补偿后的热电电压查找表。
系统噪声考虑因素
如果输出数据速率为 16.7 Hz 且增益为 64，则AD7793 的 rms 噪声等于 0.086 μV（噪声折合到输入端）。峰峰值噪声等于：
如果热电偶的灵敏度恰好为 40 μV/°C，则热电偶的温度测量分辨率为：
0.5676 µV ÷ 40 µV = 0.014°C
测试数据与结果
使用 CL540ZA 源（和适当的 T 型线缆）来模拟热电偶输入。CL540ZA 能够模拟多种类型的热电偶（J、T、E、K、R、S、B、N 等）。
根据图 3，整个温度范围内的误差小于 1°C。然而，在大部分温度范围内，误差小于 0.5°C。
AD7793 的峰峰值噪声是通过将 ADC 的输入引脚短接在一起并采集 1000 个样本来确定的。如图 4中的直方图所示，代码分布约为 220 个代码，相当于温度分布峰峰值为 0.02°C。
常见变化
AD7793 是一款低噪声、低功耗 ADC。其他合适的ADC 有 AD7792 和 AD7785。这两款器件具有与AD7793 相同的特性组合，但 AD7792 为 16 位 ADC，AD7785 为 20 位 ADC。