CN0391
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EVAL-CN0391-ARDZ Shield2018/10/16WIKI
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CN-0391:带Arduino兼容数字接口的灵活、低功耗、4通道热电偶系统 (Rev. 0)2016/11/2PDF241 K
电路功能与优势
图 1 所示电路是一个灵活的集成式 4 通道热电偶测量系统，基于低功耗、低噪声、精密 24 位 Σ-Δ 型模数转换器(ADC) AD7124-8
该电路最多可支持 4 个独立的热电偶通道，软件线性化算法支持 8 种不同类型的热电偶（B、E、J、K、N、R、S 和T）。4 个热电偶可以按任意组合进行连接，各热电偶通道上的电阻温度检测器(RTD)提供冷端补偿(CJC)。无需额外的补偿。采用此系统的热电偶测量范围可覆盖各种类型热电偶的全部工作范围。
该电路有一个标准串行外设接口(SPI)连接，可连接到Arduino 兼容平台以快速开发原型。利用 USB 转 UART 接口和开源固件，EVAL-CN0391-ARDZ 可以轻松支持不同热电偶应用。
电路描述
温度测量简介
热电偶是工业应用中最常用的温度测量传感器之一，其成本低，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。热电偶特别适合高温测量（C 型热电偶最高可测量 2300°C 的温度）。
热电偶由两条不同金属线连接而成，如图 2 所示。
一端放置在需要进行温度测量的地方，称为测量端(TTC)。热电偶的另一端连接精密电压测量系统，该连接称为参考端，或者称为冷端(CJ)。测量端 TTC和冷端 TCJ之间的温差产生一个热致电压 VTC − VCJ ，其值与两个端点之间的温差成比例。产生的电压通常为数微伏至数十毫伏不等，具体取决于温度差值和热电偶类型。
冷端补偿(CJC)
必须将热电偶产生的电压转换为温度。将测得的电压转换为精确的温度是很困难的，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端温度。
热电偶输出电压代表热电偶与冷端的温差。图 2 显示，冷端温度使用另一种温度敏感器件来测量，其通常是热敏电阻、二极管、RTD 或半导体温度传感器。用于此电路的温度检测器件为 Pt1000 RTD，四个通道中的每个通道都有一个 RTD 以保证精确测量。
图2 中，总热电偶电压 VTC – VCJ利用精密 ADC 测量，并通 过下式转换为数字格式：
其中：
VTC − VCJ 为实测热电偶电压。
CODE 为 ADC 码。
N 为 ADC 分辨率，N = 24。
VREF 为测量所用基准电压。对于本电路，内部 2.5 V 基准电压用于热电偶测量。
G 为针对 TC 模式选择的增益，G = 32。
ADC 工作在双极性差分模式。
一个恒流源 IOUT（从 AD7124-8 ADC 获得）驱动 RTD 和1.6 kΩ 精密基准电阻 R5的串联组合。CN-0391电路的 IOUT 设置为750μA，其产生的标称 VREF为 1.6 kΩ × 750 μA = 1.2V，RTD 上有 1 kΩ × 750 μA = 0.75 V 的压降。R5 两端的电压用作 ADC 的基准电压。对于双极性差分输入模式，RTD电阻 RRTD利用下式计算；
其中：
CODE 为 ADC 码。
N 为 ADC 分辨率，N = 24。
R5 为基准电阻，R5 = 1.6 kΩ.
G 为针对 RTD 模式选择的增益，G = 1.
在 CN-0391 电路中，热电偶电压和 RTD 电压均通过AD7124-8 多通道 24 位 ADC 转换。注意测量为比率式，不取决于基准电压的精度或 IOUT 激励电流的值。
RTD 电阻 RRTD通过查找表或多项式公式转换为冷端温度 TCJ, RTD 传递函数即所谓 Callender-Van Dusen 公式，它由两个不同的多项式公式组成，可提供更精确的结果， CN-0391 软件即使用该公式。有关这些 RTD 公式的详细说 明，参见电路笔记 CN-0381。
冷端温度 TCJ通过 ITS-90 热电偶数据库中的公式转换为相应的热电偶电压 VCJ。CN-0391 软件使用 ITS-90 多项式公式而非查找表来执行此转换。
软件将热电偶电压 (VTC− VCJ) 与冷端 VCJ相加以获得热电偶EMF VTC.
然后利用 ITS-90 逆公式将热电偶 EMF VTC转换为等效热电偶温度 TTC.
关于热电偶原理、线性化表、公式和冷端补偿，请参阅 NISTITS-90 热电偶数据库和 NIST 标准参考数据库 60 2.0 版（位于 NIST 网站）。关于热电偶和温度测量的一般理论，请参阅 《传感器信号调理》第 7 章。.
模数转换
CN-0391 电路采用多通道 24 位 Σ-Δ 型 ADC AD7124-8。AD7124-8 内置一个输入多路复用器，并集成一个增益选项为 1 至 128 的可编程增益放大器(PGA)。AD7124-8 可配置为 8 路差分输入或 15 路伪差分输入。
AD7124-8 的主要优势之一是用户可灵活使用三种功率模式。功耗、输出数据速率范围和均方根噪声可通过所选功率模式进行定制。该器件还提供多个滤波器选项，确保为用户带来最大的灵活性。
内部 PGA 可将很小的热电偶电压放大到最适合内部 Σ-Δ ADC 的水平。适当的增益设置由热电偶信号幅度和基准电压值决定。
CN-0391 软件支持 8 类热电偶：B、E、J、K、N、R、S 和T 型。
不同热电偶具有不同的范围和灵敏度，如图 3 所示。例如，J 型热电偶由铁和康铜连接而成，测量范围约为-210°C 至+1200°C，0°C 时的灵敏度为 50 μV/℃。灵敏度也称为赛贝克系数，与热电偶温度呈函数关系。8 类热电偶的范围和赛贝克系数参见表 1。
| 类型 | ITS-90 公式范围 (°C) | 赛贝克系数 (0°C, μV/°C) | 赛贝克系数 (400°C, μV/°C) |
| E | −200 至 +1000 | 59 | 80 |
| J | −210 至 +1200 | 50 | 55 |
| K |
−200 至 +1372 | 39 | 42 |
| N | −200 至 +1300 | 26 | 37 |
| T | −50 至 +400 | 39 | 62 |
| R | −50 至 +1768 | 5 | 10 |
| S | −50 至 +1768 | 5 | 10 |
| B | 250 至 1820 | 3 (250°C时) | 4 |
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。
冷端温度范围是 0°C 至 50°C；为确定最大和最小输出电压范围，须检查各类热电偶的电压摆幅，并且纳入从热电偶电压减去的冷端电压分量。E 型热电偶需要的范围最宽，如表 2 所示。
| 输出 | 热端 | 冷端 | 电压 |
| 最大值 | 1000°C | 0°C | 76.4mV |
| 最小值 | −270°C | 50°C | −12.88mV |
使用内部 2.5 V 基准电压时，AD7124-8 ADC 双极性输入范围是−50 mV 至 VREF/G。VREF = 2.5 V 且 PGA 增益设置为 G =32 时，双极性 ADC 输入范围是−50 mV 至 78.125 mV。此范围涵盖了所有 8 类热电偶的输出电压范围，故而无需外 部信号调理电路；对所有类型热电偶，PGA 都可以使用固定增益 32。24位分辨率支持测量信号范围很小的热电偶（例 如 B 型），无需进行增益调整。热电偶以单端模式连接到ADC，负输入连接到 GND 以降低传感器噪声
EVAL-CN0391-ARDZ 板有 4个迷你 U型插口热电偶连接器(Omega PCC-SMP-U-100)，用于连接热电偶连接器。冷端位于连接器触头处，CJC RTD 靠近连接器。
CN-0391 电路使用简单的 2 线 RTD 连接，但 AD7124-8 包含匹配的可编程激励电流，可用于 2 线、3 线和 4 线 RTD。关于 3 线和 4 线应用的详细信息，请分别参阅 阅电路笔记CN-0381 和 电路笔记 CN-0383。
系统噪声测量和结果
系统噪声必须很低才能精确测量热电偶输出的微小电压。图 4 所示为热电偶连接器在一个通道上短路时采集的 256个样本的直方图。AD7124-8 sinc3 滤波器开启，数据速率为 50 Hz。
从直方图可知，折合到输入端的峰峰值噪声为 978 nV。对于 78 mV 的满量程输入，无噪声码分辨率可计算如下：
系统热电偶测量和结果
为了进行热电偶系统测量试验，需要知道宽温度范围内热电偶温度的准确数据。油浴法很准确，但其温度范围有限，而且稳定过程很慢。 精确的热电偶仿真器可以代替油浴法 ， 比 如 Time Electronics 1090 温度校准器就是很有吸引力的选择。图 5所示为说明仿真器测试原理的框图。
该仿真器允许用户输入热电偶类型和温度以及冷端温度。然后，仿真器利用 ITS-90 表和公式将热电偶温度 TTC和冷端温度 TCJ转换为相应的电压 VTC和 VCJ。再将 VCJ从 VTC中扣除，便得到仿真器输出电压VTC – VCJ.
仿真器的整体精度取决于热电偶类型和温度，典型值介于0.5°C 和 2°C 之间。
注意，仿真器并不测试系统冷端补偿电路的精度，后者必须通过实际连接的热电偶单独测试。
图6 显示了 E、J、K、N 和 T 型热电偶的仿真温度与测量温度之间的误差，图 7 显示了 B、R、S 型热电偶的误差。测量之前对 AD7124-8 ADC 进行了零电平和满量程内部校准。
图 6 和图 7 所示误差是以下误差源之和：
- 仿真器误差（0.15°C 至 3°C，取决于类型和范围）
- ADC 基准电压精度(0.2%)
- ADC 内部校准之后剩余的系统失调和增益误差（小于 10μV）
- ADC 非线性误差（15 ppm FSR；FSR = 78 mV 时，其为1.2 μV）
- ITS-90 公式误差（0.001°C 至 0.06°C 不等，取决于类型和范围）
基准电压误差（针对 AD7124-8 内部基准电压源为 0.2%）引起系统增益误差，在高温时可能贡献数摄氏度的误差。
B、R、S 型热电偶具有较小的赛贝克系数，对失调误差更为敏感。
AD7124-8 非线性误差和 ITS-90 公式误差相对于其他误差源均可忽略不计。
对于所有 8 种标准热电偶的各自范围，图 6 和图 7 所示的测量数据在其精度规格以内。
为实现较高精度，尤其是 B、R、S 型热电偶，必须利用精密外部电压源执行系统级零电平和满量程校准。
也可以使用 ADR4525（初始精度为 0.02%）等精度更高的外部基准电压源来使增益误差最小。
冷端补偿按如下方法进行测试：将 J 型热电偶连接到一个通道，热电偶维持在环境温度，在 ThermoStream 或Thermonics 温度控制器的控制下循环改变EVAL-CN0391-ARDZ 板的温度。选择 J 型热电偶的原因是其对温度变化的灵敏度相对较高（25°C 时为 52 μV/°C）。
在 0°C、25°C 和 105°C 的冷端温度下进行测量的结果如图 8所示。
EVAL-CN0391-ARDZ 硬件的完整文档，包括原理图、布局文件、Gerber 文件和物料清单，位于 CN-0391 设计支持包中。.
系统设计权衡
EVAL-CN0391-ARDZ 板设计具有非常大的灵活性，支持四个独立热电偶输入通道的任意组合，电路设计使用最少的额外元件。
如果在测量之前执行系统级零电平和满量程校准，则AD7124-8 ADC 可提供更高的精度。
如果 AD7124-8 输入配置为差分工作模式，并且为各通道增加输入抗混叠滤波器，则还能改善噪声性能。典型滤波器配置如图 9 所示，其中 R1 + R2 和 C3 形成一个差分模式滤波器（带宽约为 800 Hz），R1/C1 和 R2/C2 形成共模滤波器（带宽约为 16 kHz）。
利用 AD7124-8 ADC 实现较优性能的更多设计技巧参见 电路笔记 CN-0381, 电路笔记 CN-0383和 电路笔记 CN-0384.
AD7124-8 的另一主要优势是用户可灵活使用三种功率模式。功耗、输出数据速率范围和均方根噪声可通过所选功 率模式进行定制。该器件还提供多个滤波器选项，确保为用户带来最大的灵活性。
常见变化
AD7124-8 有 15 路伪差分输入或 8 路差分 ADC 输入。如需减少通道数并降低成本，可使用 AD7124-4，其具有 7 路伪差分输入或 4 路差分输入。
AD7124-8 内部 2.5 V 基准电压源的初始精度为±0.2%。如需更高精度和更低的满量程增益误差，可使用 ADR4525 2.5 V基准电压源，其初始精度为±0.02%。
电路评估与测试
本电路使用 EVAL-CN0391-ARDZ Arduino 扩展板和EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平台板。这两片板很容易组合起来，EVAL-CN0391-ARDZ 在上方，EVAL-ADICUP360 在下方。热电偶插入 EVAL-CN0391-ARDZ 板的 P1 至 P4 插口。
系统通过 EVAL-ADICUP360 板的 USB 接口连接到 PC。两片板均由USB 5V 电源供电。RTD 传感器已安装到EVAL-CN0391-ARDZ 板上。
设备要求
需要以下设备：
- 带 USB 2.0 端口和 Windows® 7（64 位）或更高版本的 PC
- EVAL-CN0391-ARDZ Arduino 兼容电路评估板
- EVAL-ADICUP360 开发板或 Arduino 兼容平台板
- B、E、J、K、N、R、S 和 T 型热电偶的任意组合（总共4个），或 Time Electronics 1090 温度校准器或同等产品
- ADICUP360 软件(IDE)，参见 CN-0391 用户指南
- 串行终端软件，例如 PuTTY 或 Tera Term
- USB A 转 USB micro 电缆
- EVAL-CN0391-ARDZ 演示代码（参见 CN-0391 用户指南）
开始使用
在 EVAL-CN0391-ARDZ 板和 EVAL-ADICUP360 板上选择正确的跳线设置。跳线设置详见 CN-0391 用户指南。
将EVAL-CN0391-ARDZ Arduino扩展板插入EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平台板。将热电偶传感器连接到EVAL-CN0391-ARDZ 板。将用户 USB 端口连接到 PC。各通道使用热电偶专用连接器连接热电偶，这样可以简化不同类型热电偶的插拔。选择通用补偿型连接器，使得板上的所有通道（P1 至 P4）都能相互通用。
将项目演示代码载入 ADuCM360 IDE，请按照 工具链设置用户指南中的说明操作。.
务必按照 CN-0391 用户指南中的说明，针对 P1、P2、P3 和 P4 上的热电偶类型配置软件。
程序运行时，系统会计算输出数据并在终端窗口上显示。
关于 Arduino 尺寸兼容 ARM Cortex™-M3 开发平台(EVAL-ADICUP360)的信息，请参阅 EVAL-ADICUP360 用户指南。.
功能框图
测试设置的框图如图 10 所示。
测试
示例代码经编译并加载到 EVAL-ADICUP360 上且将EVAL-CN0391-ARDZ 安装在上面之后，器件与 PC 通信，连续更新并显示各通道的下列信息：
- 通道数和热电偶类型
- RTD 电阻
- 线性化 RTD 温度（冷端温度）
- 线性化热电偶温度
如果所选热电偶的最终线性化温度超出 ITS-90 公式定义的范围，则会显示警告消息。其他编程选项详见 CN-0391 用户指南。
图 11 显示 EVAL-CN0391-ARDZ 板的实物照片。
