高分辨率温度测量

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。

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。

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V_DD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。

 

图3. 具有偏移调整功能的更高分辨率温度测量

作者：Moshe Gerstenhaber 和 Michael O'Sullivan