ADT7320：±0.25℃精度、16位数字SPI温度传感器

　　AD7793：3通道、低噪声、低功耗、24位、Σ-Δ型ADC，集成片内仪表放大器和基准电压源

　　评估和设计支持

　　CN-0172电路评估板(EVAL-CN0172-SDPZ)

　　系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z)

　　CN0172分线板(EVAL-CN0172-SDPZ评估板附带)

　　电路功能与优势

　　图1中的电路在功能上可提供高精度、多通道的热电偶测量解决方案。**的热电偶测量要求采用精密元件组成信号链，该信号链应当能够放大微弱的热电偶电压、降低噪声、校正非线性度并提供**的基准结补偿(通常称为冷结补偿)。本电路可解决热电偶温度测量的全部这些难题，并具有±0.25℃以上的精度。

　　图1中的电路显示将3个K型热电偶连接至AD7793 精密24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)，以测量热电偶电压。由于热电偶是一种差分器件而不是**式温度测量器件，必须知道基准结温才能获得**的**温度读数。这一过程被称为基准结补偿，通常称为冷结补偿。本电路中ADT7320精密16位数字温度传感器用于冷结基准测量，并提供所需的精度。

　　对于需要在热电偶提供的宽温度范围内进行高性价比的**温度测量而言，这类应用非常受欢迎。

　　图1. 多通道热电偶测量系统(原理示意图：未显示所有连接和去耦)

　　电路描述

　　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℃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信号到达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信号。

　　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℃至+105℃温度范围内可达±0.25℃。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℃。

　　AD7793和ADT7320均利用系统演示平台 (EVAL-SDP-CB1Z)由SPI接口控制。此外，这两个器件也可由微控制器控制。

　　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*佳的热传导率、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*佳选择。若在工业环境中使用裸露**，则可能需对信号链进行电气隔离。可使用数字隔离器达到这一目的 (见www.analog.com/icoupler).

　　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。推荐使用诸如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。

　　*大热传导: 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的差分输入用于消除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，可消除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)进一步消除了这些输入信号中的共模噪声。

　　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/℃。这种微弱的信号在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*大增益为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℃至 +105℃)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，必须使用美国国家标准技术研究院(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：www.analog.com/CN0172-DesignSupport.

　　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℃精度的ADT7310数字温度传感器替代±0.25℃精度的 ADT7320. AD7792和ADT7310均集成SPI接口。

　　电路评估与测试

　　本系统使用EVAL-CN0172-SDPZ和EVAL-SDP-CB1Z。 EVAL-CN0172-SDPZ板自带CN0172分线板。

　　设备要求

　　需要以下设备：

　　一个油槽

　　EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板

　　CN0172分线板(EVAL-CN0172-SDPZ评估板自带)

　　EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板

　　CN0172评估板软件

　　一台Datron 4808校准仪

　　一台Hart Scientific 1590超级温度计

　　一个Hart Scientific精密探头

　　GPIB电缆(3)

　　一台PC，安装Windows XP或更高版本，运行LabVIEW并带有一块GPIB卡和一个USB 2.0端口

　　设置与测试

　　图5中的测试设置用于评估多通道热电偶解决方案的性能。使用Datron校准仪提供精密电压源，用于3个热电偶输入。使用超级温度计测量油槽的温度，并通过GPIB总线对其进行控制。

　　图5. 测试设置功能框图

　　CN0172的LabVIEW软件通过USB端口EVAL-SDP-CB1Z评估板、分线板和SPI总线控制EVAL-CN0172-SDPZ评估板。 EVAL-SDP-CB1Z评估板的电源来自USB总线，EVAL-SDP-CB1Z的3.3 V输出为EVAL-CN0172-SDPZ评估板供电。

　　如果不需要油槽测量，则可利用CD光盘上的软件，通过 PC的USB接口使用EVAL-CN0172-SDPZ评估板测量3个热电偶的温度。

　　有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息，请参阅CN0172用户指南： www.analog.com/CN0172- UserGuide.

　　测试结果

　　图6显示采用不同的冷结(CJ)温度固定值，在各种热电偶温度下该解决方案的误差曲线。宽温度范围内的整体解决方案误差不超过±0.25℃。请注意，若对AD7793 ADC执行系统校准，则可进一步改善解决方案精度。

　　图6. 固定冷结(CJ)温度下的误差与热电偶温度的关系

　　图7显示采用不同的热电偶温度固定值，在各种CJ温度下该解决方案的误差曲线。宽温度范围内的整体解决方案误差不超过±0.25℃。

　　图7. 固定热电偶温度下的误差与冷结温度的关系