《电子技术应用》

带Arduino兼容模拟接口的灵活、低功耗、4通道热电偶系统

2017/5/16 15:42:00

评估和设计支持

电路评估板

CN-0394电路评估板(EVAL-CN0394-ARDZ) ADICUP360评估板(EVAL-ADICUP360)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

图1所示电路是一种灵活的集成式4通道热电偶测量系统,基于Arduino兼容EVAL-ADICUP360平台,包含ADuCM360低功耗精密模拟微控制器。ADuCM360具有ARM Cortex™-M3处理器内核、多种外设和精密模拟功能,包括双通道24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)、多路复用器、可编程增益放大器(PGA)以及基准电压源。

该电路最多可支持4个独立的热电偶通道,软件线性化算法支持8种不同类型的热电偶(B、E、J、K、N、R、S和T)。4个热电偶可以按任意组合进行连接,各热电偶通道上的电阻温度检测器(RTD)提供冷结补偿(CJC)。无需额外的补偿。采用此系统的热电偶测量可覆盖各种类型热电偶的全部工作范围。

该电路与EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平台对接,支持快速开发原型。利用USB转UART接口和开源固件,EVAL-CN0394-ARDZ和EVAL-ADICUP360组合可以轻松支持不同热电偶应用。

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图1.热电偶测量系统(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

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图2.包括测量端参考端的热电偶连接(一个通道)

电路描述

温度测量简介

热电偶是工业应用中最常用的温度测量传感器之一,其成本低,坚固耐用,可重复性好,并具有很宽的工作温度范围和快速响应时间。热电偶特别适合高温测量(C型热电偶最高可测量2300℃的温度)。

热电偶由两条不同金属线连接而成,如图2所示。

一端放置在需要进行温度测量的地方,称为测量端(TTC)。热电偶的另一端连接精密电压测量系统,该连接称为参考端,或者称为冷端(CJ)。测量端TTC和冷端TCJ之间的温差产生一个电压VTC − VCJ,,它是由两个端点之间的温差引起的。产生的电压通常为数微伏至数十毫伏不等,具体取决于温度差值和热电偶类型。

Cold Junction Compensation (CJC)

冷端补偿(CJC)

The voltage generated by a thermocouple must be converted to temperature. Converting the voltage measured to an accurate temperature can be difficult, because the thermocouple voltage is small, the temperature-voltage relationship is nonlinear, and the cold junction temperature must also be accurately measured.

必须将热电偶产生的电压转换为温度。将测得的电压转换为精确的温度是很困难的,因为热电偶电压很小,温度与电压不是线性关系,而且还必须准确测量冷端温度。

The total output voltage of the thermocouple is caused by the difference between the temperature of the thermocouple and the cold junction temperature. Figure 2 shows that the cold junction temperature is measured with another temperature sensitive device, typically a thermistor, diode, RTD, or semiconductor temperature sensor. The temperature-sensing device used for this circuit is a Pt1000 RTD, and there is one RTD in each of the four channels for accurate measurements.

热电偶的总输出电压是由热电偶与冷端的温差引起的。图2显示,冷端温度使用另一种温度敏感器件来测量,其通常是热敏电阻、二极管、RTD或半导体温度传感器。用于此电路的温度检测器件为Pt1000 RTD,每个通道都有一个RTD以保证精确测量。

图2中,总热电偶电压VTC – VCJ利用ADuCM360中的精密ADC测量,并通过下式转换为数字格式:

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CODE

其中:

VTC − VCJ为实测热电偶电压。

VREF为测量所用基准电压。对于本电路,内部1.2 V基准电压用于热电偶测量。

CODE为ADuCM360 ADC数据寄存器(ADCxDAT)中的28位字,增益为8。

一个恒流源IEXE(从ADuCM360获得)驱动RTD和1.6 kΩ精密基准电阻R5的串联组合。CN-0394电路的IEXE设置为620 μA,其产生的标称VREF为1.6 kΩ × 620 μA = 0.992 V,RTD上有1 kΩ × 620 μA = 0.62 V的压降。R5两端的电压用作ADC的基准电压。RTD电阻RRTD利用下式计算:

其中:

R5为基准电阻,R5 = 1.6 kΩ。

CODE为ADuCM360 ADC数据寄存器(ADCxDAT)中的28位字,增益为1。

在CN-0394电路中,热电偶电压和RTD电压均通过ADuCM360 24位ADC转换。注意测量为比率式,不取决于基准电压的精度或IEXE激励电流的值。

RTD电阻RRTD通过查找表或多项式公式转换为冷端温度TCJ。RTD传递函数即所谓CallenderVanDusen公式,它由两个不同的多项式公式组成,可提供更精确的结果,CN-0394 软件即使用该公式。有关这些RTD公式的详细说明,参见电路笔记CN-0381。

冷端温度TCJ通过ITS-90热电偶数据库中的公式转换为相应的热电偶电压VCJ。CN-0394软件使用ITS-90多项式公式而非查找表来执行此转换。

软件将总热电偶电压(VTC− VCJ)与冷端VCJ相加以获得热电偶EMF VTC。

然后利用ITS-90逆公式将热电偶EMF VTC转换为等效热电偶温度TTC。

关于热电偶原理、线性化表、公式和冷端补偿,请参阅NIST ITS-90热电偶数据库和NIST标准参考数据库60 2.0版(位于NIST网站)。关于热电偶和温度测量的一般理论,请参阅《传感器信号调理》第7章。

模数转换

CN-0394电路利用ADuCM360集成的双通道24位Σ-Δ型ADC执行转换。ADuCM360内置一个输入多路复用器,并集成一个增益选项为1至128的PGA。ADuCM360可配置为6路差分输入或12路单端输入。

ADuCM360还提供多个滤波器选项和多种输出数据速率,确保为用户带来最大的灵活性。

PGA可将很小的热电偶电压放大到最适合内部Σ-Δ ADC的水平。合理的增益设置由热电偶信号幅度和基准电压值决定。

CN-0394软件支持8类热电偶:B、E、J、K、N、R、S和T型。

不同热电偶具有不同的范围和灵敏度,如图3所示。例如,J型热电偶由铁和康铜连接而成,测量范围约为-210°C至+1200°C,灵敏度为55 μV/℃。

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图3.热电偶输出电压与温度的关系

因此,利用ADuCM360的集成PGA,可以检测热电偶的小电压并将其精确转换为数字信号。

The cold junction temperature range is 0°C to 50°C, and the maximum and minimum output voltage range is determined by examining the voltage swings of the various types and including the cold junction voltage component that is subtracted from the thermocouple voltage. The Type E thermocouple requires the widest range, as shown in Table 1.

冷端结温度范围是0°C至50°C;为确定最大和最小输出电压范围,须考虑各类热电偶的电压摆幅,并且纳入从热电偶电压减去的冷端结电压分量。E型热电偶需要的范围最宽,如表1所示。

表1.热电偶最大电压摆幅(E型)

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采用内部1.2 V基准电压且将PGA增益设置为G = 8时,ADuCM360 ADC双极性差分输入范围为±125 mV。此范围涵盖了所有8类热电偶的输出电压范围,故而无需外部信号调理电路;对所有类型热电偶,PGA都可以使用固定增益8。24位分辨率支持测量信号范围很小的热电偶(例如B型),无需进行增益调整。热电偶以差分模式连接到ADC,负输入连接到ADuCM360提供的900 mV共模偏置电压。

EVAL-CN0394-ARDZ板有4个迷你U型插口热电偶连接器(Omega PCC-SMP-U-100),用于连接热电偶连接器。冷端形成于连接器触头处,冷端补偿CJC RTD靠近连接器。

CN-0394电路使用简单的2线RTD连接,但ADuCM360包含可编程激励电流,可用于2线、3线和4线RTD。关于3线和4线应用的详细信息,请分别参阅电路笔记CN-0381和电路笔记CN-0383。

系统噪声测量和结果

系统噪声必须很低才能精确测量热电偶输出的微小电压。图4所示为热电偶连接器在一个短路的通道上采集的512个样本的直方图。ADuCM360 sinc3滤波器开启,斩波模式使能,数据速率为50 Hz。

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图4.单通道的短路输入直方图,512样本,ADC Sinc3滤波器开启,斩波使能,50 Hz数据速率

从直方图可知,折合到输入端的峰峰值噪声为2.51 µV。对于125 mV的满量程输入,无噪声码分辨率可计算如下:

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无噪声码分辨率

系统热电偶测量和结果

为了进行热电偶系统测量试验,需要知道宽温度范围内热电偶温度的准确数据。油浴法很准确,但其温度范围有限,而且稳定过程很慢。

精确的热电偶仿真器可以代替油浴法,比如Time Electronics 1090温度校准器就是很有吸引力的选择。图5所示为说明仿真器测试原理的框图。

该仿真器允许用户输入热电偶类型和温度以及冷端温度。然后,仿真器利用ITS-90表和公式将热电偶温度TTC和冷端温度TCJ转换为相应的电压VTC和VCJ。再将VCJ从VTC中扣除,以便得到仿真器输出电压VTC – VCJ。

仿真器的整体精度取决于热电偶类型和温度,典型值介于0.5°C和2°C之间。

注意,仿真器并不测试系统冷端补偿电路的精度,后者必须通过额外连接的热电偶单独测试。

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图5.利用热电偶仿真器测试热电偶测量系统

图6显示了E、J、K、N和T型热电偶的仿真温度与测量温度之间的误差,图7显示了B、R、S型热电偶的误差。测量之前对ADuCM360 ADC进行了零电平和满量程校准。

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图6. EVAL-CN0394-ARDZ温度测量误差(E、J、K、N、T型热电偶,使用热电偶仿真器)

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图7. EVAL-CN0394-ARDZ温度测量误差(B、R、S型热电偶,使用热电偶仿真器)

The errors shown in Figure 6 and Figure 7 are a combination of the following sources:

图6和图7所示误差是以下误差源之和:

仿真器误差(0.15°C至3°C,取决于类型和范围)

ADC基准电压精度(0.2%)

ADC内部校准后剩余的系统失调和增益误差(小于10 μV)

ADC非线性误差(15 ppm FSR;FSR = 125 mV时,其为1.9 μV)

ITS-90公式误差(0.001°C至0.06°C不等,取决于类型和范围)

基准电压误差(ADuCM360内部基准电压为0.1%)引起系统增益误差,在高温时可能贡献数摄氏度的误差。

B、R、S型热电偶具有较小的赛贝克系数,对失调误差更为敏感。

ADuCM360非线性误差和ITS-90公式误差相对于其他误差源均可忽略不计。

对于所有8种标准热电偶的各自范围,图6和图7所示的测量数据在其精度规格以内。

为实现最高精度,尤其是B、R、S型热电偶,必须利用精密外部电压源执行系统级零电平和满量程校准。

也可以使用ADR4525(初始精度为0.02%)等精度更高的外部基准电压源来使增益误差最小。

冷端补偿按如下方法进行测试:将J型热电偶连接到一个通道,热电偶维持在环境温度,在ThermoStream或Thermonics温度控制器的控制下循环改变CN-0394板的温度。选择J型热电偶的原因是其对温度变化的灵敏度较高。

测量在0°C、25°C和105°C的冷端温度下进行结果如图8所示。

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图8.EVAL-CN0394-ARDZ温度测量误差,J型热电偶在室温下,冷端温度为0°C、25°C和105°C

EVAL-CN0394-ARDZ硬件的完整文档,包括原理图、布局文件、Gerber文件和物料清单,位于CN-0394设计支持包中。

系统设计权衡 

EVAL-CN0394-ARDZ板设计具有非常大的灵活性,支持四个独立热电偶输入通道的任意组合,电路设计使用最少的额外元件。

如果在测量之前执行系统级零电平和满量程校准,则ADuCM360中的ADC可提供更高的精度。

如果ADuCM360输入配置为差分工作模式,并且为各通道增加输入抗混叠滤波器,则还能改善噪声性能。典型滤波器配置如图9所示,其中R1 + R2和C3形成一个差分模式滤波器(带宽约为800 Hz),R1/C1和R2/C2形成共模滤波器(带宽约为16 kHz)。

利用RTD和热电偶电路实现最优性能的更多设计技巧,参见电路笔记CN-0381、电路笔记CN-0383和电路笔记CN-0384。

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图9.适用于ADuCM360的可选差分和共模输入滤波器

ADuCM360通过直接编程控制可配置为许多低功耗工作模式,包括休眠模式(内部唤醒定时器有效),此时能耗仅为4 µA。在休眠模式下,诸如外部中断或内部唤醒定时器等外设可以唤醒该器件。该模式可让器件在功耗极低的情况下运行,同时仍然响应外部异步或周期事件。

常见变化

ADuCM360内部1.2 V基准电压源的初始精度为±0.1%。如需更高精度和更低的满量程增益误差,可使用ADR4525 2.5 V±0.02%基准电压源。

电路评估与测试

本电路使用EVAL-CN0394-ARDZ Arduino扩展板和EVAL-ADICUP360 Arduino平台板。这两片板很容易插接起来,EVAL-CN0394-ARDZ在上方,EVAL-ADICUP360在下方。热电偶插入EVAL-CN0394-ARDZ板的P1至P4插口。

系统通过EVAL-ADICUP360板的USB接口连接到PC。两片板均由USB 5 V电源供电。RTD传感器已安装到EVAL-CN0394-ARDZ印刷电路板(PCB)上。

设备要求

需要以下设备:

带USB 2.0端口和Windows® 7(64位)或更高版本的PC

EVAL-CN0394-ARDZ Arduino兼容电路评估板

EVAL-ADICUP360 开发板或Arduino兼容平台板

B、E、J、K、N、R、S和T型热电偶的任意组合(总共4个),或Time Electronics 1090温度校准器或同等产品 

ADICUP360软件(IDE),参见CN-0394用户指南

串行终端软件,例如PuTTY或Tera Term

USB A转USB微型电缆

EVAL-CN0394-ARDZ演示代码(参见CN-0394用户指南)

开始使用

选择EVAL-ADICUP360板上的正确跳线设置。跳线设置详见CN-0394用户指南。

将EVAL-CN0394-ARDZ Arduino扩展板插入EVAL-ADICUP360 Arduino兼容平台板。将热电偶传感器连接到EVAL-CN0394-ARDZ板。将用户USB端口连接到PC。各通道使用Ω式连接器连接热电偶,这样可以简化不同类型热电偶的插拔。选择U型连接器,使得板上的所有通道(P1至P4)都能相互通用。

将项目演示代码载入ADuCM360 IDE,请按照工具链设置用户指南中的说明操作。

务必按照CN-0394用户指南中的说明,针对P1、P2、P3和P4上的热电偶类型配置软件。

程序运行时,系统会计算输出数据并在终端窗口上显示。

关于Arduino尺寸兼容ARM Cortex-M3开发平台(EVAL-ADICUP360)的信息,请参阅EVAL-ADICUP360用户指南。

功能框图

测试设置的框图如图10所示。

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图10.测试设置功能框图(两片板均由PC USB 5 V电源供电)

测试

示例代码经编译并加载到EVAL-ADICUP360上且将EVAL-CN0394-ARDZ 插接在上面之后,器件与PC通信,连续更新并显示各通道的下列信息:

通道数和热电偶类型

RTD电阻

线性化RTD温度(冷端温度)J

线性化热电偶温度

如果所选热电偶的最终线性化温度超出ITS-90公式定义的范围,则会显示警告消息。其他编程选项详见CN-0394用户指南。

图11显示EVAL-CN0394-ARDZ板的实物照片。

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图11. EVAL-CN0394-ARDZ板照片

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