CN0391 AD7124-8 有 15 路偽差分輸入或 8 路差分 ADC 輸入。如需減少通道數并降低成本，可使用 AD7124-4，其具有 7 路偽差分輸入或 4 路差分輸入。 AD7124-8 內部 2.5 V 基準電壓源的初始精度為±0.2%。如需更高精度和更低的滿量程增益誤差，可使用 ADR4525 2.5 V基準電壓源，其初始精度為±0.02%。 本電路使用 EVAL-CN0391-ARDZ Arduino 擴展板和EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平臺板。這兩片板很容易組合起來，EVAL-CN0391-ARDZ 在上方，EVAL-ADICUP360 在下方。熱電偶插入 EVAL-CN0391-ARDZ 板的 P1 至 P4 插口。 系統通過 EVAL-ADICUP360 板的 USB 接口連接到 PC。兩片板均由USB 5V 電源供電。RTD 傳感器已安裝到EVAL-CN0391-ARDZ 板上。 設備要求 需要以下設備： 帶 USB 2.0 端口和 Windows? 7（64 位）或更高版本的 PC EVAL-CN0391-ARDZ Arduino 兼容電路評估板 EVAL-ADICUP360 開發板或 Arduino 兼容平臺板 B、E、J、K、N、R、S 和 T 型熱電偶的任意組合（總共4個），或 Time Electronics 1090 溫度校準器或同等產品 ADICUP360 軟件(IDE)，參見 CN-0391 用戶指南 串行終端軟件，例如 PuTTY 或 Tera Term USB A 轉 USB micro 電纜 EVAL-CN0391-ARDZ 演示代碼（參見 CN-0391 用戶指南） 開始使用 在 EVAL-CN0391-ARDZ 板和 EVAL-ADICUP360 板上選擇正確的跳線設置。跳線設置詳見 CN-0391 用戶指南。 將EVAL-CN0391-ARDZ Arduino擴展板插入EVAL-ADICUP360Arduino 兼容平臺板。將熱電偶傳感器連接到EVAL-CN0391-ARDZ 板。將用戶 USB 端口連接到 PC。各通道使用熱電偶專用連接器連接熱電偶，這樣可以簡化不同類型熱電偶的插拔。選擇通用補償型連接器，使得板上的所有通道（P1 至 P4）都能相互通用。 將項目演示代碼載入 ADuCM360 IDE，請按照 工具鏈設置 用戶指南中的說明操作。. 務必按照 CN-0391 用戶指南中的說明，針對 P1、P2、P3 和 P4 上的熱電偶類型配置軟件。 程序運行時，系統會計算輸出數據并在終端窗口上顯示。 關于 Arduino 尺寸兼容 ARM Cortex?-M3 開發平臺(EVAL-ADICUP360)的信息，請參閱 EVAL-ADICUP360 用戶指南。. 功能框圖 測試設置的框圖如圖 10 所示。 圖 10.測試設置功能框圖（兩片板均由 PC USB 5 V 電源供電） 測試 示例代碼經編譯并加載到 EVAL-ADICUP360 上且將EVAL-CN0391-ARDZ 安裝在上面之后，器件與 PC 通信，連續更新并顯示各通道的下列信息： 通道數和熱電偶類型 RTD 電阻 線性化 RTD 溫度（冷端溫度）J 線性化熱電偶溫度 如果所選熱電偶的最終線性化溫度超出 ITS-90 公式定義的范圍，則會顯示警告消息。其他編程選項詳見 CN-0391 用戶指南。 圖 11 顯示 EVAL-CN0391-ARDZ 板的實物照片。 圖 11 .EVAL-CN0391-ARDZ 板照片 溫度測量簡介 熱電偶是工業應用中最常用的溫度測量傳感器之一，其成本低，堅固耐用，可重復性好，并具有很寬的工作溫度范圍和快速響應時間。熱電偶特別適合高溫測量（C 型熱電偶最高可測量 2300°C 的溫度）。 熱電偶由兩條不同金屬線連接而成，如圖 2 所示。 圖 2.包括測量端和參考端的熱電偶連接（一個通道） 一端放置在需要進行溫度測量的地方，稱為測量端(TTC)。熱電偶的另一端連接精密電壓測量系統，該連接稱為參考端，或者稱為冷端(CJ)。測量端 TTC和冷端 TCJ之間的溫差產生一個熱致電壓 VTC ? VCJ ，其值與兩個端點之間的溫差成比例。產生的電壓通常為數微伏至數十毫伏不等，具體取決于溫度差值和熱電偶類型。 冷端補償(CJC) 必須將熱電偶產生的電壓轉換為溫度。將測得的電壓轉換為精確的溫度是很困難的，因為熱電偶電壓很小，溫度與電壓不是線性關系，而且還必須準確測量冷端溫度。 熱電偶輸出電壓代表熱電偶與冷端的溫差。圖 2 顯示，冷端溫度使用另一種溫度敏感器件來測量，其通常是熱敏電阻、二極管、RTD 或半導體溫度傳感器。用于此電路的溫度檢測器件為 Pt1000 RTD，四個通道中的每個通道都有一個 RTD 以保證精確測量。 圖2 中，總熱電偶電壓 VTC – VCJ利用精密 ADC 測量，并通 過下式轉換為數字格式： 其中： VTC ? VCJ 為實測熱電偶電壓。 CODE 為 ADC 碼。 N 為 ADC 分辨率，N = 24。 VREF 為測量所用基準電壓。對于本電路，內部 2.5 V 基準電壓用于熱電偶測量。 G 為針對 TC 模式選擇的增益，G = 32。 ADC 工作在雙極性差分模式。 一個恒流源 IOUT（從 AD7124-8 ADC 獲得）驅動 RTD 和1.6 kΩ 精密基準電阻 R5的串聯組合。CN-0391電路的 IOUT 設置為750μA，其產生的標稱 VREF為 1.6 kΩ × 750 μA = 1.2V，RTD 上有 1 kΩ × 750 μA = 0.75 V 的壓降。R5 兩端的電壓用作 ADC 的基準電壓。對于雙極性差分輸入模式，RTD電阻 RRTD利用下式計算； 其中： CODE 為 ADC 碼。 N 為 ADC 分辨率，N = 24。 R5 為基準電阻，R5 = 1.6 kΩ. G 為針對 RTD 模式選擇的增益，G = 1. 在 CN-0391 電路中，熱電偶電壓和 RTD 電壓均通過AD7124-8 多通道 24 位 ADC 轉換。注意測量為比率式，不取決于基準電壓的精度或 IOUT 激勵電流的值。 RTD 電阻 RRTD通過查找表或多項式公式轉換為冷端溫度 TCJ, RTD 傳遞函數即所謂 Callender-Van Dusen 公式，它由兩個不同的多項式公式組成，可提供更精確的結果， CN-0391 軟件即使用該公式。有關這些 RTD 公式的詳細說 明，參見電路筆記 CN-0381。 冷端溫度 TCJ通過 ITS-90 熱電偶數據庫中的公式轉換為相應的熱電偶電壓 VCJ。CN-0391 軟件使用 ITS-90 多項式公式而非查找表來執行此轉換。 軟件將熱電偶電壓 (VTC? VCJ) 與冷端 VCJ相加以獲得熱電偶EMF VTC. 然后利用 ITS-90 逆公式將熱電偶 EMF VTC轉換為等效熱電偶溫度 TTC. 關于熱電偶原理、線性化表、公式和冷端補償，請參閱 NISTITS-90 熱電偶數據庫和 NIST 標準參考數據庫 60 2.0 版（位于 NIST 網站）。關于熱電偶和溫度測量的一般理論，請參閱 《傳感器信號調理》第 7 章。. 模數轉換 CN-0391 電路采用多通道 24 位 Σ-Δ 型 ADC AD7124-8。AD7124-8 內置一個輸入多路復用器，并集成一個增益選項為 1 至 128 的可編程增益放大器(PGA)。AD7124-8 可配置為 8 路差分輸入或 15 路偽差分輸入。 AD7124-8 的主要優勢之一是用戶可靈活使用三種功率模式。功耗、輸出數據速率范圍和均方根噪聲可通過所選功率模式進行定制。該器件還提供多個濾波器選項，確保為用戶帶來最大的靈活性。 內部 PGA 可將很小的熱電偶電壓放大到最適合內部 Σ-ΔADC 的水平。適當的增益設置由熱電偶信號幅度和基準電壓值決定。 CN-0391 軟件支持 8 類熱電偶：B、E、J、K、N、R、S 和T 型。 不同熱電偶具有不同的范圍和靈敏度，如圖 3 所示。例如，J 型熱電偶由鐵和康銅連接而成，測量范圍約為-210°C 至+1200°C，0°C 時的靈敏度為 50 μV/℃。靈敏度也稱為賽貝克系數，與熱電偶溫度呈函數關系。8 類熱電偶的范圍和賽貝克系數參見表 1。 圖 3. 熱電偶輸出電壓與溫度的關系 表1. 各類熱電偶的范圍和賽貝克系數以及ITS-90公式范圍 類型 ITS-90 公式范圍(°C) 賽貝克系數 (0°C, μV/°C) 賽貝克系數 (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時) 4 利用 AD7124-8 的集成 PGA，可以輕松檢測熱電偶的小電壓并將其精確轉換為數字信號。 冷端溫度范圍是 0°C 至 50°C；為確定最大和最小輸出電壓范圍，須檢查各類熱電偶的電壓擺幅，并且納入從熱電偶電壓減去的冷端電壓分量。E 型熱電偶需要的范圍最寬，如表 2 所示。 表 2. 熱電偶最大電壓擺幅（E 型） 輸出 熱端 冷端 電壓 最大值 1000°C 0°C 76.4mV 最小值 ?270°C 50°C ?12.88mV 使用內部 2.5 V 基準電壓時，AD7124-8 ADC 雙極性輸入范圍是?50 mV 至 VREF/G。VREF = 2.5 V 且 PGA 增益設置為 G =32 時，雙極性 ADC 輸入范圍是?50 mV 至 78.125 mV。此范圍涵蓋了所有 8 類熱電偶的輸出電壓范圍，故而無需外 部信號調理電路；對所有類型熱電偶，PGA 都可以使用固定增益 32。24位分辨率支持測量信號范圍很小的熱電偶（例 如 B 型），無需進行增益調整。熱電偶以單端模式連接到ADC，負輸入連接到 GND 以降低傳感器噪聲 EVAL-CN0391-ARDZ 板有 4個迷你 U型插口熱電偶連接器(Omega PCC-SMP-U-100)，用于連接熱電偶連接器。冷端位于連接器觸頭處，CJC RTD 靠近連接器。 CN-0391 電路使用簡單的 2 線 RTD 連接，但 AD7124-8 包含匹配的可編程激勵電流，可用于 2 線、3 線和 4 線 RTD。關于 3 線和 4 線應用的詳細信息，請分別參閱 閱電路筆記 CN-0381 和 電路筆記 CN-0383。 系統噪聲測量和結果 系統噪聲必須很低才能精確測量熱電偶輸出的微小電壓。圖 4 所示為熱電偶連接器在一個通道上短路時采集的 256個樣本的直方圖。AD7124-8 sinc3 濾波器開啟，數據速率為 50 Hz。 圖 4. 單通道的短路輸入直方圖，256 樣本，ADC Sinc3 濾波器開啟，50 Hz 數據速率 從直方圖可知，折合到輸入端的峰峰值噪聲為 978 nV。對于 78 mV 的滿量程輸入，無噪聲碼分辨率可計算如下： 系統熱電偶測量和結果 為了進行熱電偶系統測量試驗，需要知道寬溫度范圍內熱電偶溫度的準確數據。油浴法很準確，但其溫度范圍有限，而且穩定過程很慢。 精確的熱電偶仿真器可以代替油浴法 ， 比 如 TimeElectronics 1090 溫度校準器就是很有吸引力的選擇。圖 5所示為說明仿真器測試原理的框圖。 圖 5. 利用熱電偶仿真器測試熱電偶測量系統 該仿真器允許用戶輸入熱電偶類型和溫度以及冷端溫度。然后，仿真器利用 ITS-90 表和公式將熱電偶溫度 TTC和冷端溫度 TCJ轉換為相應的電壓 VTC和 VCJ。再將 VCJ從 VTC中扣除，便得到仿真器輸出電壓VTC – VCJ. 仿真器的整體精度取決于熱電偶類型和溫度，典型值介于0.5°C 和 2°C 之間。 注意，仿真器并不測試系統冷端補償電路的精度，后者必須通過實際連接的熱電偶單獨測試。 圖6 顯示了 E、J、K、N 和 T 型熱電偶的仿真溫度與測量溫度之間的誤差，圖 7 顯示了 B、R、S 型熱電偶的誤差。測量之前對 AD7124-8 ADC 進行了零電平和滿量程內部校準。 圖 6.EVAL-CN0391-ARDZ 溫度測量誤差（E、J、K、N、T 型熱電偶，使用熱電偶仿真器） 圖 7.EVAL-CN0391-ARDZ 溫度測量誤差（B、R、S 型熱電偶，使用熱電偶仿真器） 圖 6 和圖 7 所示誤差是以下誤差源之和： 仿真器誤差（0.15°C 至 3°C，取決于類型和范圍） ADC 基準電壓精度(0.2%) ADC 內部校準之后剩余的系統失調和增益誤差（小于 10μV） ADC 非線性誤差（15 ppm FSR；FSR = 78 mV 時，其為1.2 μV） ITS-90 公式誤差（0.001°C 至 0.06°C 不等，取決于類型和范圍） 基準電壓誤差（針對 AD7124-8 內部基準電壓源為 0.2%）引起系統增益誤差，在高溫時可能貢獻數攝氏度的誤差。 B、R、S 型熱電偶具有較小的賽貝克系數，對失調誤差更為敏感。 AD7124-8 非線性誤差和 ITS-90 公式誤差相對于其他誤差源均可忽略不計。 對于所有 8 種標準熱電偶的各自范圍，圖 6 和圖 7 所示的測量數據在其精度規格以內。 為實現最高精度，尤其是 B、R、S 型熱電偶，必須利用精密外部電壓源執行系統級零電平和滿量程校準。 也可以使用 ADR4525（初始精度為 0.02%）等精度更高的外部基準電壓源來使增益誤差最小。 冷端補償按如下方法進行測試：將 J 型熱電偶連接到一個通道，熱電偶維持在環境溫度，在 ThermoStream 或Thermonics 溫度控制器的控制下循環改變EVAL-CN0391-ARDZ 板的溫度。選擇 J 型熱電偶的原因是其對溫度變化的靈敏度相對較高（25°C 時為 52 μV/°C）。 在 0°C、25°C 和 105°C 的冷端溫度下進行測量的結果如圖 8所示。 圖 8.EVAL-CN0391-ARDZ 溫度測量誤差，J 型熱電偶在室溫下，冷端溫度為 0°C、25°C 和 105°C EVAL-CN0391-ARDZ 硬件的完整文檔，包括原理圖、布局文件、Gerber 文件和物料清單，位于 CN-0391 設計支持包中。. 系統設計權衡 EVAL-CN0391-ARDZ 板設計具有非常大的靈活性，支持四個獨立熱電偶輸入通道的任意組合，電路設計使用最少的額外元件。 如果在測量之前執行系統級零電平和滿量程校準，則AD7124-8 ADC 可提供更高的精度。 如果 AD7124-8 輸入配置為差分工作模式，并且為各通道增加輸入抗混疊濾波器，則還能改善噪聲性能。典型濾波器配置如圖 9 所示，其中 R1 + R2 和 C3 形成一個差分模式濾波器（帶寬約為 800 Hz），R1/C1 和 R2/C2 形成共模濾波器（帶寬約為 16 kHz）。 利用 AD7124-8 ADC 實現最優性能的更多設計技巧參見 電路筆記 CN-0381, 電路筆記 CN-0383和 電路筆記 CN-0384. 圖 9.適用于 AD7124-8 的可選差分和共模輸入濾波器 AD7124-8 的另一主要優勢是用戶可靈活使用三種功率模式。功耗、輸出數據速率范圍和均方根噪聲可通過所選功 率模式進行定制。該器件還提供多個濾波器選項，確保為用戶帶來最大的靈活性。 CN0391 帶 Arduino 兼容數字接口的靈活、低功耗、 4 通道熱電偶系統 圖 1 所示電路是一個靈活的集成式 4 通道熱電偶測量系統，基于低功耗、低噪聲、精密 24 位 Σ-Δ 型模數轉換器(ADC) AD7124-8 圖 1. 熱電偶測量系統（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦） 該電路最多可支持 4 個獨立的熱電偶通道，軟件線性化算法支持 8 種不同類型的熱電偶（B、E、J、K、N、R、S 和T）。4 個熱電偶可以按任意組合進行連接，各熱電偶通道上的電阻溫度檢測器(RTD)提供冷端補償(CJC)。無需額外的補償。采用此系統的熱電偶測量范圍可覆蓋各種類型熱電偶的全部工作范圍。 該電路有一個標準串行外設接口(SPI)連接，可連接到Arduino 兼容平臺以快速開發原型。利用 USB 轉 UART 接口和開源固件，EVAL-CN0391-ARDZ 可以輕松支持不同熱電偶應用。 CN0391 帶 Arduino 兼容數字接口的靈活、低功耗、 4 通道熱電偶系統 一個靈活的集成式 4 通道熱電偶測量系統，基于低功耗、低噪聲、精密 24 位 Σ-Δ 型模數轉換器(ADC)AD7124-8。

• 靈活的4通道熱電偶系統
• 冷結補償
• 24位數字化
• 低功耗
• 尺寸兼容Arduino

(analog)