表 1.25°C時(shí)各種熱電偶類型的電壓變化與溫升
（塞貝克系數(shù)）。

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由于電壓信號很小，信號調(diào)理電路通常需要大約100左右的增益，這是相當(dāng)簡單的信號調(diào)理。更困難的是將實(shí)際信號與熱電偶引線上拾取的噪聲區(qū)分開來。熱電偶引線很長，經(jīng)常穿過電噪聲環(huán)境。引線上拾取的噪聲很容易壓倒微小的熱電偶信號。

通常結(jié)合兩種方法從噪聲中提取信號。第一種是使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來放大信號。由于大部分噪聲出現(xiàn)在兩根導(dǎo)線上（共模），因此差分測量可以消除噪聲。第二種是低通濾波，可消除帶外噪聲。低通濾波器應(yīng)消除可能導(dǎo)致放大器整流的射頻干擾（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（電源）嗡嗡聲。將射頻干擾濾波器放在放大器之前（或使用具有濾波輸入的放大器）非常重要。50 Hz/60 Hz濾波器的位置通常并不重要，它可以與RFI濾波器結(jié)合使用，放置在放大器和ADC之間，作為Σ-Δ ADC的一部分，也可以在軟件中編程為平均濾波器。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：必須知道熱電偶參考結(jié)的溫度才能獲得準(zhǔn)確的絕對溫度讀數(shù)。當(dāng)首次使用熱電偶時(shí)，這是通過將參考結(jié)保持在冰浴中來完成的。圖2描述了一個(gè)熱電偶電路，其一端處于未知溫度，另一端在冰浴（0°C）中。該方法用于詳盡地表征各種熱電偶類型，因此幾乎所有熱電偶表都使用0°C作為參考溫度。

圖2.基本鐵-康銅熱電偶電路。

但是，對于大多數(shù)測量系統(tǒng)來說，將熱電偶的參考結(jié)保持在冰浴中是不切實(shí)際的。相反，大多數(shù)系統(tǒng)使用一種稱為參考端補(bǔ)償（也稱為冷端補(bǔ)償）的技術(shù)。參考結(jié)溫由另一個(gè)對溫度敏感的器件（通常是IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度檢測器））測量。然后對熱電偶電壓讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以反映參考結(jié)溫。盡可能準(zhǔn)確地讀取參考接合點(diǎn)非常重要，并且精確的溫度傳感器應(yīng)保持在與參考接合點(diǎn)相同的溫度。讀取參考結(jié)溫的任何錯(cuò)誤都將直接顯示在最終的熱電偶讀數(shù)中。

有多種傳感器可用于測量參考溫度：

熱敏電阻：響應(yīng)速度快，封裝小;但它們需要線性化且精度有限，尤其是在寬溫度范圍內(nèi)。它們還需要電流進(jìn)行激勵(lì)，這會產(chǎn)生自發(fā)熱，導(dǎo)致漂移。當(dāng)與信號調(diào)理結(jié)合使用時(shí)，整體系統(tǒng)精度可能很差。

電阻溫度檢測器（RTD）：RTD精確、穩(wěn)定且線性合理，但封裝尺寸和成本限制了其在過程控制應(yīng)用中的使用。

遠(yuǎn)程熱二極管：二極管用于檢測熱電偶連接器附近的溫度。調(diào)理芯片將與溫度成比例的二極管電壓轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字輸出。其精度限制在約±1°C。

集成溫度傳感器：集成溫度傳感器是在本地檢測溫度的獨(dú)立IC，應(yīng)小心地安裝在參考接合點(diǎn)附近，并且可以結(jié)合參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號調(diào)理。精度可在 1°C 的一小部分以內(nèi)。

電壓信號是非線性的： 熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度變化。例如，在0°C時(shí)，T型熱電偶輸出在39 μV/°C時(shí)變化，但在100°C時(shí)，斜率增加到47 μV/°C。

有三種常見的方法來補(bǔ)償熱電偶的非線性。

選擇曲線中相對平坦的部分，并將該區(qū)域的斜率近似為線性，這種方法特別適用于有限溫度范圍內(nèi)的測量。無需復(fù)雜的計(jì)算。K型和J型熱電偶受歡迎的原因之一是它們都具有較大的溫度范圍，靈敏度的增量斜率（塞貝克系數(shù)）保持相當(dāng)恒定（見圖3）。

圖3.熱電偶靈敏度隨溫度的變化。請注意，從41°C到0°C，K型的塞貝克系數(shù)大致恒定在約1000μV/°C。

另一種方法是在內(nèi)存中存儲一個(gè)查找表，該查找表將一組熱電偶電壓中的每一個(gè)與其各自的溫度相匹配。然后在表中兩個(gè)最近的點(diǎn)之間使用線性插值來獲取其他溫度值。

第三種方法是使用高階方程來模擬熱電偶的行為。雖然這種方法最準(zhǔn)確，但它也是計(jì)算量最大的。每個(gè)熱電偶有兩組方程。一組將溫度轉(zhuǎn)換為熱電偶電壓（用于參考結(jié)補(bǔ)償）。另一組將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度。熱電偶表和高階熱電偶方程可在 http://srdata.nist.gov/its90/main/ 中找到。表格和公式均基于0°C的參考結(jié)溫。 如果參考接合點(diǎn)處于任何其他溫度，則必須使用參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

接地要求：熱電偶制造商為測量結(jié)制造帶有絕緣和接地尖端的熱電偶（圖 4）。

圖4.熱電偶測量結(jié)類型。

熱電偶信號調(diào)理的設(shè)計(jì)應(yīng)避免在測量接地?zé)犭娕紩r(shí)出現(xiàn)接地環(huán)路，但在測量絕緣熱電偶時(shí)，還應(yīng)為放大器輸入偏置電流提供路徑。此外，如果熱電偶尖端接地，則放大器輸入范圍應(yīng)設(shè)計(jì)為處理熱電偶尖端和測量系統(tǒng)接地之間的任何接地電位差異（圖 5）。

圖5.使用不同尖端類型時(shí)的接地選項(xiàng)。

對于非隔離系統(tǒng)，雙電源信號調(diào)理系統(tǒng)通常更適合接地尖端和裸露尖端類型。由于其寬共模輸入范圍，雙電源放大器可以處理PCB（印刷電路板）接地與熱電偶尖端接地之間的大電壓差。如果放大器的共模范圍在單電源配置中具有一定的地電位以下測量能力，則單電源系統(tǒng)在所有三種尖端情況下都能令人滿意地工作。為了解決某些單電源系統(tǒng)中的共模限制，將熱電偶偏置至中間電平電壓很有用。這適用于絕緣熱電偶尖端，或者整個(gè)測量系統(tǒng)是隔離的。但是，不建議用于設(shè)計(jì)用于測量接地或裸露熱電偶的非隔離系統(tǒng)。

實(shí)用的熱電偶解決方案：熱電偶信號調(diào)理比其他溫度測量系統(tǒng)更復(fù)雜。設(shè)計(jì)和調(diào)試信號調(diào)理所需的時(shí)間會增加產(chǎn)品的上市時(shí)間。信號調(diào)理誤差，尤其是參考接合點(diǎn)補(bǔ)償部分的誤差，會導(dǎo)致精度降低。以下兩種解決方案可解決這些問題。

第一個(gè)詳細(xì)介紹了一個(gè)簡單的模擬集成硬件解決方案，將直接熱電偶測量與使用單個(gè)IC的參考結(jié)補(bǔ)償相結(jié)合。第二種解決方案詳細(xì)介紹了基于軟件的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償方案，該方案提高了熱電偶測量的精度，并靈活地使用多種類型的熱電偶。

測量解決方案 1：針對簡單性進(jìn)行了優(yōu)化

圖6顯示了測量K型熱電偶的原理圖。它基于使用AD8495熱電偶放大器，該放大器專門設(shè)計(jì)用于測量K型熱電偶。該模擬解決方案針對最短的設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化：它具有簡單的信號鏈，無需軟件編碼。

圖6.測量解決方案1：針對簡單性進(jìn)行了優(yōu)化。

這個(gè)簡單的信號鏈如何滿足K型熱電偶的信號調(diào)理要求？

增益和輸出比例因子：小熱電偶信號由AD8495的122增益放大，輸出信號靈敏度為5 mV/°C（200°C/V）。

噪：高頻共模和差分噪聲由外部RFI濾波器消除。低頻共模噪聲由AD8495的儀表放大器抑制。任何剩余的噪聲都由外部柱后濾波器解決。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：AD8495內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化，必須放置在基準(zhǔn)接合點(diǎn)附近，以保持兩者處于相同溫度，以實(shí)現(xiàn)精確的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

非線性校正：AD8495經(jīng)過校準(zhǔn)，可在K型熱電偶曲線的線性部分提供5 mV/°C輸出，在–2°C至+25°C溫度范圍內(nèi)線性誤差小于400°C。如果需要超出此范圍的溫度，ADI公司應(yīng)用筆記AN-1087介紹了如何在微處理器中使用查找表或公式來擴(kuò)展溫度范圍。

處理絕緣、接地和裸露的熱電偶：圖5顯示了一個(gè)接地的1MΩ電阻，該電阻適用于所有熱電偶尖端類型。AD8495經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，采用如圖所示的單電源供電時(shí)，能夠測量地電位以下幾百毫伏的電壓。如果預(yù)計(jì)接地差分更大，AD8495也可以采用雙電源供電。

有關(guān)AD8495的更多信息：圖7所示為AD8495熱電偶放大器的框圖。放大器A1、A2和A3以及所示電阻構(gòu)成儀表放大器，以適當(dāng)?shù)脑鲆娣糯驥型熱電偶的輸出，以產(chǎn)生5 mV/°C的輸出電壓。 標(biāo)有“參考結(jié)補(bǔ)償”的盒子內(nèi)是一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。在測量結(jié)溫保持恒定的情況下，如果參考結(jié)溫因任何原因升高，來自熱電偶的差分電壓將降低。如果微型（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495與基準(zhǔn)接合點(diǎn)的熱接近，則基準(zhǔn)接合點(diǎn)補(bǔ)償電路會向放大器注入額外的電壓，使輸出電壓保持恒定，從而補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度變化。

圖7.AD8495功能框圖

表2總結(jié)了使用AD8495的集成硬件解決方案的性能：

表 2.解決方案 1（圖 6）性能摘要

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測量解決方案 2：針對準(zhǔn)確性和靈活性進(jìn)行了優(yōu)化

圖8顯示了高精度測量J型、K型或T型熱電偶的原理圖。該電路包括一個(gè)用于測量小信號熱電偶電壓的高精度ADC和一個(gè)用于測量參考結(jié)溫的高精度溫度傳感器。兩款器件均使用來自外部微控制器的SPI接口進(jìn)行控制。

圖8.測量解決方案2：針對準(zhǔn)確性和靈活性進(jìn)行了優(yōu)化。

此配置如何滿足前面提到的信號調(diào)理要求？

消除噪聲并放大電壓： AD7793（如圖9所示）是一款高精度、低功耗模擬前端，用于測量熱電偶電壓。熱電偶輸出經(jīng)過外部濾波，并連接到一組差分輸入AIN1（+）和AIN1（–）。然后，信號通過多路復(fù)用器、緩沖器和儀表放大器（放大小熱電偶信號）路由到ADC，ADC將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖9.AD7793功能框圖

補(bǔ)償參考結(jié)溫：ADT7320（詳見圖10）如果放置在足夠靠近基準(zhǔn)接合點(diǎn)的位置，則可以在–0°C至+2°C范圍內(nèi)精確測量至±10.85°C的參考結(jié)溫。 片內(nèi)溫度傳感器產(chǎn)生與絕對溫度成比例的電壓，將其與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并施加于精密數(shù)字調(diào)制器。調(diào)制器的數(shù)字化結(jié)果更新16位溫度值寄存器。然后可以使用SPI接口從微控制器回讀溫度值寄存器，并與ADC的溫度讀數(shù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖 10.ADT7320功能框圖

正確的非線性度：ADT7320在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)（–40°C至+125°C）提供出色的線性度，無需用戶進(jìn)行校正或校準(zhǔn)。因此，其數(shù)字輸出可以被認(rèn)為是參考接合點(diǎn)狀態(tài)的準(zhǔn)確表示。

為了確定實(shí)際的熱電偶溫度，必須使用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）提供的公式將此參考溫度測量值轉(zhuǎn)換為等效熱電電壓。然后將該電壓添加到AD7793測量的熱電偶電壓中;然后將求和轉(zhuǎn)換回?zé)犭娕紲囟龋俅问褂肗IST方程。

處理絕緣和接地?zé)犭娕迹?/strong>圖8顯示了一個(gè)帶有裸露尖端的熱電偶。這提供了最佳的響應(yīng)時(shí)間，但相同的配置也可以與絕緣尖端熱電偶一起使用。