热电偶的输出是一个小电压，通常每摄氏度变化数十微伏。这种低电平信号需要显着放大才能由典型的 ADC 数字化。此外，热电偶输出应补偿非零冷端温度的误差。在上一篇文章中，我们研究了热电偶信号调理电路的分立实现。
本文概述了两种不同的单片热电偶解决方案：AD849x 系列和LT1025。本系列的下一篇文章将继续这一讨论，并概述 AD594 / AD595和MAX6675的重要特性。
单片热电偶
放大器 - AD849x 示例
让我们深入了解一下图 1 中所示 AD849x 的功能框图。
图 1. AD849x 的框图。图片由Analog Devices提供
该器件包括低失调、固定增益仪表放大器 和内置冷端补偿 (CJC) 电路。该系列中的每个器件都针对 J 型或 K 型热电偶进行了工厂校准。AD849x可以直接将热电偶的小输出转换为变化5 mV/°C的高电平信号。以下公式可用于计算热电偶的热端温度 (T MJ )：
\[T_{MJ}=\frac{V_{OUT}-V_{REF}}{5mV/°C}\]
等式 1。
其中 V REF是 REF 引脚上的电压。例如，如果 AD8494 产生 250 mV 的输出且 V REF = 0，则热结温度为 50 °C。
热电偶信号调理：相同温度下的 IC 和冷端
使用单片热电偶解决方案时应考虑的一项一般要求是，这些设备应放置在靠近热电偶冷端的位置（图 2）。
图 2. 显示 AD849x 中的结点的图表。 图片由Analog Devices提供
热电偶信号调节器使用 CJC 集成温度
传感器。该
温度传感器实际上测量的是芯片温度，而不是热电偶的冷端温度。因此，为了更准确地测量冷端温度，信号调节器应靠近冷端。这应该不难，特别是对于采用微型 3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm 封装的 AD849x 等信号调节器。
AD849x 封装和冷端之间的任何温差都会在终测量值中表现为温度误差。除了在 AD849x 和冷端之间使用短走线外，限度地降低 IC 的功耗以避免在 PCB 上产生温度梯度也很重要。这给我们带来了关于热电偶信号调节器的另一个重要点：这些设备通常仅从电源吸取很小的电流，以限度地减少自热效应。例如，AD849x 的电流消耗为 180 ?A。如果需要，AD849x 可以向负载提供超过 ±5 mA 的电流；然而，提供大量输出电流可能会导致温度梯度并在我们的测量中引入误差。
AD849x 的非线性误差
虽然热电偶表现出非线性输入输出特性，但公式 1 表明 AD849x 的输出是热结温度的线性函数。应该注意的是，AD849x 线性放大（冷端补偿）热电偶信号。因此，放大的输出实际上与热电偶信号一样是非线性的。因此，方程 1 给出的线性函数仅近似系统的实际非线性响应。
尽管 AD849x 不会主动校正热电偶非线性，但它是基于感兴趣温度范围内传感器特性曲线的线性模型而设计的。换句话说，“适合”所支持传感器（链接 200）非线性特性的直线用于对内部放大器进行工厂校准。这可以限度地减少公式 1 提供的线性模型的非线性误差。在指定的温度范围内，该公式预测的值的线性误差应小于 ±2 °C。下表给出了该系列每个部件的温度范围。
表 1.使用的数据由Analog Devices提供
请注意，该系列中的每个器件都经过预先调整，以匹配 J 型或 K 型热电偶的特性。本应用笔记讨论了可以显着提高 AD849x 线性度的算法。图 3 显示了 AD8495 的非线性误差以及使用和不使用校正算法的参考设计的非线性误差。
图 4. AD8495 的非线性误差图。图片由Analog Devices提供
在这种情况下，线性改进算法将误差降低到小于±0.5°C。
AD849x 参考 (REF) 引脚功能
当热电偶的测量（或热）结点的温度低于其参考（或冷）结点的温度时，热电偶会产生负电压。因此，如果您需要测量负温度，您应该考虑可以处理负电压的信号调理电路。显而易见的解决方案是使用由
双电源供电的放大器。即使系统设计为单电源运行，AD849x 也可以解决此问题。为此，我们可以通过向参考引脚 (REF) 施加适当的正电压来对输出进行电平转换。在这种情况下，当测量结点处于负温度时，输出将低于 VREF（公式 1）。当我们需要对输出进行电平转换以匹配信号链中后续电路的输入范围时，REF 引脚也很有用。
另一种单片热电偶示例解决方案 — LT1025
Linear Technology 的 LT1025 是另一种用于冷端补偿的单片解决方案。AD849x 包括内部放大器和 CJC 电路，而 LT1025 仅产生冷端补偿电压。该 IC 的功能框图如图 5 所示。
图5.LT1025 的框图。图片由凌力尔特公司提供
该器件感测封装温度并产生 10 mV/°C 缓冲输出。然后将该电压施加到电阻分压器，以产生适合不同类型热电偶的输出。如您所见，LT1025 支持 E、J、K、T、R 和 S 型热电偶。要了解模拟 CJC 电路背后的理论，请参阅本文。
使用示例放大器探索热电偶应用
图 6 显示了我们如何使用该设备来操作 K 型热电偶。
图 6. K 型热电偶工作原理图。图片由凌力尔特公司提供。
LTKA0x是一款专为热电偶应用而设计的放大器。它具有低失调 (< 35 ?V) 和漂移 (<1.5 ?V/°C)。此外，它的偏置电流也非常低（<1 nA），这使得我们能够在放大器输入端包含具有相对较大电阻（在10至100 kΩ范围内）的
滤波器，而不会经历明显的偏移和漂移效应。
与 AD849x 不同，LT1025 解决方案将放大器和冷端补偿模块分开。这有助于限度地减少 CJC 芯片消耗的功率，从而限度地减少自热效应。LT1025 仅需要 80 ?A，远低于 AD849x 的 180 ?A。由于电流消耗很小，当电源电压低于 10V 时，LT1025 的内部温升小于 0.1°C。
解决热电偶非线性问题
如果您熟悉 CJC 电路，那么 LT1025 背后的原理对您来说应该相对简单；然而，另一个值得更多解释的功能是“弓校正电压”块。该块向温度传感器产生的 10 mV/°C 电压添加了一个非线性项。添加该非线性项是为了解决 CJC 电路中的热电偶非线性误差。基本 CJC 电路尝试将直线拟合到热电偶特性曲线，并使用这条拟合线在冷端温度范围内重现热电偶输出。然而，LT1025 的输出由两个不同的项组成：与温度成正比的线性项加上与 25 °C 的温度偏差成正比的二次项。理想情况下，LT1025 应实现以下等式：
\[V_{OUT}=aT+a\beta(T-25 °C)^{2}\]
在哪里：
\(a\, and\,\beta\) 是线性项和二次项的系数
T表示温度
选择 \(\beta\) 值是为了减少 LT1025 所有热电偶输出中的非线性误差。请注意，该二次项试图改进 CJC 电路中使用的热电偶模型。换句话说，它减少了CJC电路的非线性误差，但无法补偿热电偶本身的非线性误差。
