采用AD7793 24位SIGMA-DELTA ADC的完整热电偶测量系统

电路功能与优势

图1所示电路是一个基于24位Σ-Δ型ADC AD7793 的完整热电偶系统。AD7793是一款适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置PGA、基准电压源、时钟和激励电流，从而大大简化了热电偶系统设计。系统峰峰值噪声约为0.02°C。

AD7793的最大功耗仅500 μA，因而适合低功耗应用，例如整个发送器的功耗必须低于4 mA的智能发送器等。AD7793还具有关断选项。在这种模式下，整个ADC及其辅助功能均关断，器件的最大功耗降至1 μA。

AD7793提供一种集成式热电偶解决方案，可以直接与热电偶接口。冷结补偿由一个热敏电阻和一个精密电阻提供。该电路只需要这些外部元件来执行冷结测量，以及一些简单的R-C滤波器来满足电磁兼容性（EMC）要求。

 

图1. 带冷结补偿的热电偶测量系统（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

电路描述

本电路使用T型热电偶。该热电偶由铜和康铜构成，温度测量范围为−200°C至+400°C，产生的温度相关电压典型值为40 μV/°C。

热电偶的传递函数不是线性的。在0°C至+60°C的温度范围，其响应非常接近线性。但是，在更宽的温度范围内，必须使用一个线性化程序处理。

测试电路不包括线性化功能，因此，本电路的有用测量范围是0°C到+60°C。在该温度范围内，热电偶产生0 mV至2.4 mV的电压。内部1.17 V基准电压用于热电偶转换。因此，AD7793的增益配置为128。

AD7793采用单电源供电，热电偶产生的信号必须被偏置到地以上，从而处于该ADC支持的范围。对于128倍的增益，模拟输入端的绝对电压必须在GND + 300 mV至AVDD – 1.1 V范围内。

AD7793片上集成的偏置电压发生器偏置热电偶信号，使其共模电压为AVDD/2，确保以相当大的裕量满足输入电压限值要求。

热敏电阻在+25°C时的值为1 kΩ，0°C时的典型值为815 Ω，+30°C时的典型值为1040 Ω。假设0°C至30°C的传递函数为线性，则冷结温度与热敏电阻R之间的关系为：

冷结温度 = 30 × （R – 815）/（1040 – 815）

AD7793的1 mA激励电流用于为热敏电阻和2 kΩ精密电阻供电。基准电压利用该2 kΩ外部精密电阻产生。这种架构提供一种比率式配置，激励电流用于为热敏电阻供电，并产生基准电压。因此，激励电流值的偏差不会改变系统的精度。

对热敏电阻通道进行采样时，AD7793以1倍的增益工作。对于+30°C的最大冷结温度，热敏电阻上产生的最大电压为1 mA × 1040 Ω = 1.04 V。

热敏电阻的选择条件是：热敏电阻上产生的最大电压乘以PGA增益的结果小于或等于精密电阻上产生的电压。

对于ADC_CODE的转换值，相应的热敏电阻值R等于：

R = （ADC_CODE – 0x800000） × 2000/223

还需要考虑AD7793 IOUT1引脚的输出顺从电压。使用1 mA激励电流时，输出顺从电压等于AVDD – 1.1 V。从上述计算可知，电路满足这一要求，因为IOUT1的最大电压等于精密电阻上的电压加上热敏电阻上的电压，等于2 V + 1.04 V = 3.04 V。

AD7793以16.7 Hz的输出数据速率工作。每读取10个热电偶转换结果，就读取1个热敏电阻转换结果。相应的温度等于：

温度 = 热电偶温度 + 冷结温度

AD7793的转换结果由模拟微控制器ADuC832 处理，所得的温度显示在LCD显示器上。