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高分辨率温度测量

【导读】热电偶放大器AD8494内置一个片内温度传感器,一般用于冷结补偿,将热电偶输入端接地,该器件便可用作一个独立的摄氏温度计。在这种配置中,放大器在片内仪表放大器的输出引脚与(一般接)参考引脚之间产生5 mV/°C的输出电压。这种方法有一个缺点,当测量较窄范围的温度时,系统分辨率不佳。考虑这一情况:采用5 V单电源供电的10位ADC具有4.88 mV/LSB的分辨率。这意味着,图1所示的系统具有约1°C/LSB的分辨率。如果目标温度范围较窄,例如20°C,则输出改变幅度为100 mV,ADC的可用动态范围仅有1/50得到利用。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037821

图1. 简单温度计

图2所示的电路能够解决这一问题。同上述配置一样,放大器在仪表放大器的输出引脚与参考引脚之间产生5 mV/°C的输出电压。然而,现在参考引脚由运算放大器AD8538(配置为单位增益跟随器)驱动,因此5 mV/°C电压出现在R1两端。流经R1的电流也会流经R2,从而在该串联组合两端产生一个温度相关的电压,其大小为(R1 + R2)/R1乘以R1两端的电压。利用图中所示的值,可以得出输出电压以20 × 5 mV/°C = 100 mV/°C的幅度改变,因此20°C温度变化将产生2 V的输出电压变化。新系统的分辨率为0.05°C/LSB,比原电路提高20倍。AD8538缓冲该电阻网络,以低阻抗驱动参考引脚,从而保持良好的共模抑制性能和增益精度。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037821

图2. 高分辨率温度测量

必须确保系统灵敏度与所需的温度范围匹配。例如,25°C时的输出电压为2.5 V,输出电压的变化范围为0.5 V至4.5 V,则系统可以精确测量5°C至45°C范围的温度。

图3所示电路能够提供更高的灵敏度和可定制的温度范围。R3和R4构成电阻分压器,用于模拟所需的热电偶电压来调整放大器,以便在所需的温度时将输出电压设为0。如果VDD噪声较高,可以利用精密基准电压源和分压器电路来提供更安静、更精确的偏移调整。如图所示,该电路在25°C时的输出电压约为0.05 V,灵敏度为100 mV/°C(0.05°C/LSB分辨率),测量范围约为25°C至75°C。

AD8494的初始失调误差为±1°C至±3°C,用户必须进行失调校准,以便改善绝对精度。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037821

图3. 具有偏移调整功能的更高分辨率温度测量

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