电路笔记 CN-0172 连接/参考器件 Circuits from the Lab™ reference circuits are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0172. ADT7320 ±0.25°C精度、16位数字SPI温度 传感器 AD7793 3通道、低噪声、低功耗、24位、 Σ-Δ型ADC，集成片内仪表放大器 和基准电压源 3通道热电偶温度测量系统，精度为0.25°C 评估和设计支持 对于需要在热电偶提供的宽温度范围内进行高性价比的精 电路评估板 确温度测量而言，这类应用非常受欢迎。 CN-0172电路评估板(EVAL-CN0172-SDPZ) 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) CN0172分线板(EVAL-CN0172-SDPZ评估板附带) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单、软件 电路功能与优势 图1中的电路在功能上可提供高精度、多通道的热电偶测 量解决方案。精确的热电偶测量要求采用精密器件组成的 信号链，能够放大较小的热电偶电压、降低噪声、校正非 线性度并提供精确的基准结补偿(通常称为“冷结补偿”)。 电路描述 图1中的电路专为使用ADT7320同时测量3个K型热电偶而设 计，该器件是一款±0.25°C精度、16位数字SPI温度传感器。 热电偶电压测量 采用热电偶连接器和滤波器作为热电偶与AD7793 ADC之间 的接口。每个连接器(J1、J2和J3)都直接与一组差分ADC输 入相连。AD7793输入端的滤波器可在信号到达ADC的AIN (+)和AIN(−)输入端之前降低任何热电偶引脚上的拾取噪 声。AD7793集成片内多路复用器、缓冲器和仪表放大器， 可放大来自热电偶测量结点的小电压信号。 本电路可解决热电偶温度测量的全部这些难题，并具有 ±0.25°C以上的精度。 图1中的电路显示将3个K型热电偶连接至AD7793精密24位 Σ-Δ型模数转换器(ADC)，以测量热电偶电压。由于热电 偶是一种差分器件而不是绝对式温度测量器件，必须知道 基准结温才能获得精确的绝对温度读数。这一过程被称为 基准结补偿，通常称为冷结补偿。本电路中，ADT7320精 冷结测量 ADT7320精密16位数字温度传感器用于测量基准结(冷结) 温度，其精度在−20°C至+105°C温度范围内可达±0.25°C。 ADT7320完全经过工厂校准，用户无需自行校准。它内置 一个带隙温度基准源、一个温度传感器和一个16位Σ-Δ型 ADC，用来测量温度并进行数字转换，分辨率为0.0078°C。 密16位数字温度传感器用于冷结基准测量，并提供所需的 AD7793和ADT7320均利用系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 精度。 由SPI接口控制。此外，这两个器件也可由微控制器控制。 Rev. A Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2012–2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0172 FILTERING 5 AD7793 R20 1kΩ R11 1kΩ SPI_DOUT 4 6 5 4 IOUT 1 CLK 11 IOUT 2 CS J6 CS1 3 CS3 4 9 GND 8 CS4 7 VDD 6 CS3 CS2 CS1 SPIDIN SPIDOUT SPICLK 5 NC NC NC NC 8 VDD GND ADT7320 EPAD CT U4 3 DIN 4 CS 5 6 4 INT 9 16 15 14 13 1 SCLK 2 DOUT CS4 3 7 C1 0.1µF REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION FOR CHANNEL 3 (J3) CS1 3 1 2 SPI_CLK 6 12 11 17 10 2 VDD VDD = 3.3V CS2 2 VDD GND ADT7320 EPAD CT U3 3 DIN 4 CS 5 SPI_CLK 10 AIN3(–)/REFIN(–) SCLK 1 SPI_DIN 1 NC NC 3 SPI_DIN NC C7 0.01µF DIN 1 SCLK 2 DOUT 5 CS2 CS3 NC R9 1kΩ – THERMOCOUPLE REFERENCE JUNCTION C11 0.01µF 8 16 15 14 13 1 2 16 C1 0.1µF INT 9 6 7 12 11 17 10 C1 0.1µF INT 9 NC VBIAS C13 0.1µF 9 AIN3(+)/REFIN(+) J5 NC DOUT/RDY R8 1kΩ J3 + SPI_DOUT 12 11 17 10 REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION FOR CHANNEL 2 (J2) AIN2(–) 15 7 NC 8 C6 0.01µF 6 NC R7 1kΩ – THERMOCOUPLE REFERENCE JUNCTION 5 12 GND C8 0.01µF NC VBIAS 7 AIN2(+) C10 0.1µF NC + 6 NC R3 1kΩ 3 DIN 4 CS NC 4 VDD GND ADT7320 EPAD CT U2 NC 3 C5 C4 + 10µF 0.1µF U1 1 SCLK 2 DOUT NC 13 AVDD 16 15 14 13 1 2 NC 6 AIN1(–) C2 0.01µF 14 DVDD NC CHANNEL 3 THERMOCOUPLE MEASUREMENT JUNCTION AIN1(+) C1 0.01µF J4 NC – THERMOCOUPLE REFERENCE JUNCTION J2 CHANNEL 2 THERMOCOUPLE MEASUREMENT JUNCTION C3 0.1µF R2 1kΩ VDD NC VBIAS 5 NC J1 + NC CHANNEL 1 THERMOCOUPLE MEASUREMENT JUNCTION REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION FOR CHANNEL 1 (J1) R1 1kΩ 8 CS4 SPI_DIN SPI_DOUT SPI_CLK J7 VDD 1 2 3 4 5 6 J9 1 2 3 4 5 6 J10 1 2 3 4 5 6 J11 09240-001 NOTES: 1. EPAD = EXPOSED PADDLE OF THE LFCSP PACKAGE (ADT7320) 2. THE REFERENCE (COLD) JUNCTION COMPENSATION SENSOR BOARDS CONNECTIONS TO THE REST OF THE CIRCUIT: A) CHANNEL 1 (J1): J4 TO J9 B) CHANNEL 2 (J2): J5 TO J10 C) CHANNEL 3 (J3): J6 TO J11 09240-002 图1. 多通道热电偶测量系统(原理示意图： 未显示所有连接和去耦) 图2. EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板 Rev. A | Page 2 of 6 CN-0172 图2显示带有3个K型热电偶连接器的EVAL-CN0172-SDPZ 采用裸露尖端的优势在于，它能提供最佳的传热率、具有 电路评估板，AD7793 ADC和ADT7320温度传感器安装在独 最快的响应时间，并且成本低、重量轻。不足之处是容易 立柔性印刷电路板(PCB)的两块铜触点之间，用于基准温 受到机械损坏和腐蚀的影响。因此，不适合用于恶劣环 度测量。 境。但在需要快速响应时间的场合下，裸露尖端是最佳选 图3是安装在独立柔性PCB上ADT7320的侧视图，该器件插 在热电偶连接器的两个铜触点之间。图3中的柔性PCB更薄 择。若在工业环境中使用裸露尖端，则可能需对信号链进 行 电 气 隔 离 。 可 使 用 数 字 隔 离 器 达 到 这 一 目 的 (见 更灵活，比小型FR4类PCB更具优势。它允许将ADT7320 www.analog.com/icoupler)。 巧妙地安装在热电偶连接器的铜触点之间，以尽量降低基 不 同 于 传 统 的 热 敏 电 阻 或 电 阻 式 温 度 检 测 器 (RTD)， 准结和ADT7320之间的温度梯度。 ADT7320是一款完全即插即用型解决方案，无需在电路板 装配后进行多点校准，也不会因校准系数或线性化程序而 消耗处理器或内存资源。它在3.3 V电源下工作时的典型功 耗仅为700 μW，避免了会削弱传统电阻式传感器解决方案 精度的自发热问题。 精密温度测量指南 下列指南可确保ADT7320精确地测量基准结温度。 电源：如果ADT7320从开关电源供电，可能产生50 kHz以上 09240-003 的噪声，从而影响温度精度规格。为了防止此缺陷，应在 电源和VDD之间使用RC滤波器。所用元件值应仔细考虑， 图3. 安装在柔性PCB上ADT7320的侧视图 确保电源噪声峰值小于1 mV。 小而薄的柔性PCB还能使ADT7320快速响应基准结的温度 变化。图4显示ADT7320的典型热响应时间。 容，以确保温度测量的精度。推荐使用诸如0.1 μF高频陶瓷 140 类型的去耦电容。此外，还应使用一个低频去耦电容与高 125°C 频陶瓷电容并联，如10 μF至50 μF钽电容。 120 105°C DUT TEMPERATURE (°C) 去耦：ADT7320必须在尽可能靠近VDD的地方安装去耦电 最大热传导：塑料封装和背面的裸露焊盘(GND)是基准结 100 85°C 至ADT7320的主要热传导路径。由于铜触点与ADC输入相 80 连，本应用中无法连接背面的焊盘，因为这样做会影响 IT TAKES LESS THAN 2 SECONDS FOR THE DUT TO REACH 63.2% OF ITS FINAL TEMPERATURE SPAN 60 ADC输入的偏置。 40 0 0 5 10 15 TIME (s) 20 25 09240-004 20 图4. ADT7320典型热响应时间 本解决方案较为灵活，允许使用其它类型的热电偶，如J型 或T型。本电路笔记中，选择K型是考虑到其更受欢迎。实 际选用的热电偶具有裸露尖端。测量结位于探头壁(probe wall)之外，暴露在目标介质中。 Rev. A | Page 3 of 6 CN-0172 精密电压测量指南 常见变化 下列指南可确保AD7793精确地测量热电偶测量结的电压。 对于精度要求较低的应用，可用AD7792(16位Σ-Δ型ADC) 去耦：AD7793必须在尽可能靠近AVDD和DVDD的地方安装 替代AD7793(24位Σ-Δ型ADC)。对于基准温度测量，可用 去耦电容，以确保电压测量的精度。应将0.1 μF陶瓷电容与 ±0.5°C精度的ADT7310数字温度传感器替代±0.25°C精度的 10 μF钽电容并联，将AVDD去耦到GND。此外，应将0.1 μF ADT7320。AD7792和ADT7310均集成SPI接口。 陶瓷电容与10 μF钽电容并联，将DVDD去耦到GND。更多有 电路评估与测试 关接地、布局和去耦技巧的讨论，请参考指南MT-031和指 本 系 统 使 用 EVAL-CN0172-SDPZ和 EVAL-SDP-CB1Z。 南MT-101。 EVAL-CN0172-SDPZ板自带CN0172分线板。 滤波：AD7793的差分输入用于消除热电偶线路上的大部分 共模噪声。例如，将组成差分低通滤波器的R1、R2和C3放 置在AD7793的前端，可消除热电偶引脚上可能存在的拾取 设备要求 需要以下设备： 噪声。C1和C2电容提供额外的共模滤波。由于输入ADC的 • 一个油槽 AIN(+)和AIN(−)均为模拟差分输入，因此，模拟调制器中 • EVAL-CN0172-SDPZ电路评估板 的多数电压均为共模电压。AD7793的出色共模抑制(100 dB 最小值)进一步消除了这些输入信号中的共模噪声。 • CN0172分线板(EVALCN0172- SDPZ评估板自带) • EVAL-SDP-CB1Z电路评估板 • CN0172评估板软件 本方案解决的其他难题 • 一台Datron 4808校准仪 下文总结了本解决方案是如何解决前文提到的其它热电偶 • 一台Hart Scientific 1590超级温度计 相关难题。 • 一个Hart Scientific精密探头 热电偶电压放大：热电偶输出电压随温度的变化幅度只有每 • GPIB电缆(3) 度几µV。本例中所用的常见K型热电偶变化幅度为41 μV/°C。 • 一台PC，安装Windows XP或更高版本，运行LabVIEW并 这种微弱的信号在ADC转换前需要较高的增益级。AD7793 内部可编程增益放大器(PGA)能够提供的最大增益为128。 本解决方案中的增益为16，允许AD7793通过内部基准电压 源运行其内置的满量程校准功能。 带有一块GPIB卡和一个USB 2.0端口 设置与测试 图5中的测试设置用于评估多通道热电偶解决方案的性 能。使用Datron校准仪提供精密电压源，用于3个热电偶输 热电偶的非线性校正：AD7793在宽温度范围(–40°C至+105°C) 入。使用超级温度计测量油槽的温度，并通过GPIB总线对 内具有出色的线性度，不需要用户校正或校准。 其进行控制。 为了确定实际热电偶温度，必须使用美国国家标准技术研 CN0172的LabVIEW软件通过USB端口、EVAL-SDP-CB1Z评 究院(NIST)所提供的公式将参考温度测量值转换成等效热 估板、分线板和SPI总线控制EVAL-CN0172-SDPZ评估板。 电电压。此电压与AD7793测量的热电偶电压相加，然后再 EVAL-SDP-CB1Z评估板的电源来自USB总线，EVAL-SDP- 次使用NIST公式将两者之和再转换回热电偶温度。另一种 CB1Z的3.3 V输出为EVAL-CN0172-SDPZ评估板供电。 方法涉及查找表的使用。然而，若要获得同样的精度，查 找表的大小可能有较大不同，这就需要主机控制器为其分 配额外的存储资源。所有处理均通过EVAL-SDP-CB1Z以软 件方式完成。 欲查看完整原理图和EVAL-CN0172-SDPZ的布局，请参见 CN-0172设计支持包： www.analog.com/CN0172-DesignSupport。 如果不需要油槽测量，则可利用CD光盘上的软件，通过 PC的USB接口使用EVAL-CN0172-SDPZ评估板测量3个热电 偶的温度。 有关测试设置、校准以及如何使用评估软件来捕捉数据的详 细信息，请参阅CN0172用户指南：www.analog.com/CN0172UserGuide。 Rev. A | Page 4 of 6 CN-0172 HART SCIENTIFIC PRECISION PROBE OIL BATH FOR REFERENCE (COLD JUNCTION) DATRON 4808 CALIBRATOR (VOLTAGE SOURCE) CH1 CH2 VOUT CH3 EVAL-CN0172-SDPZ GPIB BUS PC SPI BUS AND +3.3V POWER SUPPLY USB 120-PIN CONNECTOR SDP BOARD 9-PIN CONNECTOR CN0172 BREAKOUT BOARD 09240-005 HART SCIENTIFIC 1590 SUPER THERMOMETER 图5. 测试设置功能框图 测试结果 图7显示采用不同的热电偶温度固定值，在各种CJ温度下 图6显示采用不同的冷结(CJ)温度固定值，在各种热电偶温 该解决方案的误差曲线。宽温度范围内的整体解决方案误 度下该解决方案的误差曲线。宽温度范围内的整体解决方 差不超过±0.25°C。 案误差不超过±0.25°C。请注意，若对AD7793 ADC执行系 0.25 统校准，则可进一步改善解决方案精度。 0.20 0.15 0.25 0.10 ERROR (°C) 0.20 0.15 0.05 –0.10 –0.20 –0.10 –0.20 –0.25 –270 TC = –270°C TC = +280°C TC = +680°C TC = +1080°C –0.15 –0.05 CJ = –20°C CJ = +20°C CJ = +60°C CJ = +100°C –70 130 CJ = 0°C CJ = +40°C CJ = +80°C CJ = +105°C 330 530 –0.25 –20 0 20 40 TC = –70°C TC = +480°C TC = +880°C 60 80 COLD JUNCTION TEMPERATURE (°C) 730 THERMOCOUPLE TEMPERATURE (°C) 930 1130 图6. 固定冷结(CJ)温度下的误差与 热电偶温度的关系 Rev. A | Page 5 of 6 图7. 固定热电偶温度下的误差与 冷结温度的关系 100 09240-007 0 –0.15 0 –0.05 09240-006 ERROR (°C) 0.10 0.05 CN-0172 了解详情 数据手册和评估板 CN-0172 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0172-DesignSupport CN-0172 Circuit Evaluation Board (EVAL-CN0172-EB1Z) Standard Development Platform Board (EVAL-SDP-CB1Z) Duff, Matthew, and Joe Towey, Two Ways to Measure Temperature Feature Simplicity, Accuracy and Flexibility , Analog Dialogue,Vol 44, October 2010. ADT7320 Data Sheet and Evaluation Board ADT7310 Data Sheet and Evaluation Board AD7793 Data Sheet and Evaluation Board Thermocouple 101: What is a Thermocouple? ADI Video. AD7792 Data Sheet and Evaluation Board McNamara, Donal, Temperature Measurement Theory and Practical Techniques, AN-892 Application Note, Analog Devices. 修订历史 2013年8月—修订版0至修订版A AD779x Instrumentation Converters, Frequently Asked Questions. 更改标题 .............................................................................................1 ADT7320/ADT7420 Digital Temperature Sensors, Frequently Asked Questions. 2012年12月—修订版0： 初始版 Kester, Walt. 1999. Sensor Signal Conditioning. Section 7. Analog Devices. MT-004 Tutorial, The Good, the Bad, and the Ugly Aspects of ADC Input Noise—Is No Noise Good Noise? Analog Devices. MT-022 Tutorial, ADC Architectures III: Σ-Δ ADC Basics, Analog Devices. MT-023 Tutorial, ADC Architectures IV: Σ-Δ ADC Advanced Concepts and Applications, Analog Devices. MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND", Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices. (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab circuits are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2012–2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN09240sc-0-8/13(A) Rev. A | Page 6 of 6