熱電偶在溫度測量方面是使用最久、最廣泛的元件之一。在惡劣環(huán)境下測量溫度的應(yīng)用通常都會用到熱電偶，比如鍋爐、烤箱以及汽車和石化應(yīng)用等。熱電偶能夠在-200°C至+2500°C的范圍內(nèi)測量溫度，與其他傳感器相比，熱電偶可以更快地對溫度變化作出反應(yīng)。同時，優(yōu)異的抗沖擊和抗振動性也是熱電偶被廣泛采用的一個原因。

那么，什么是熱電偶呢？熱電偶由兩根不同材料的金屬導(dǎo)線組成，它們的一端連接在一起。接合在一起的這端通常叫做“熱”端，而開口的那一端叫做“冷”端。如圖1所示，兩根導(dǎo)線之間的差分電壓可用于計算出熱端的溫度。

圖1：熱電偶簡化圖


所有的熱電偶都必須測量毫伏級的信號變化。最常見的熱電偶類型有J、K和T，它們的室溫電壓分別為52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。由于它們的電壓信號很小，因而從系統(tǒng)噪聲中提取信號是比較困難的。同時，熱電偶輸出與溫度并非線性關(guān)系，因此需要使用高階方程來精確計算溫度。此外，熱電偶測量的準(zhǔn)確性和冷端溫度測量的準(zhǔn)確性息息相關(guān)，這使得已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)變得更為復(fù)雜。通常來說，熱電偶信號調(diào)理是熱電偶解決方案中所需投資最大的部分。

測量選項
冷端產(chǎn)生的差分電壓取決于熱端和冷端之間的溫差。因此，必須知道冷端的溫度才能獲得準(zhǔn)確的整體溫度讀數(shù)。這就是所謂的“冷端補(bǔ)償（CJC）”。熱電偶解決方案的整體溫度準(zhǔn)確性受限于其CJC的溫度準(zhǔn)確性。

如今，有很多解決方案可以進(jìn)行冷端溫度測量，如RTD、熱敏電阻和硅基IC溫度傳感器。熱敏電阻具有響應(yīng)快速和封裝小巧的特點，但是它們需要線性化，溫度范圍較寬時準(zhǔn)確性也受到影響。同時，它們還需要勵磁電流，會產(chǎn)生自發(fā)熱并加大功耗，進(jìn)而限制了它們在許多便攜式或電池供電應(yīng)用中的使用。電阻溫度檢測器（RTD）則具備準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與合理的線性度。然而，封裝尺寸和成本問題讓它們在許多應(yīng)用中受限。而硅基IC溫度傳感器現(xiàn)在的溫度精度超過了0.5°C。硅基IC是一種簡單的器件，只需極少的外部電路或熱設(shè)計知識即可實現(xiàn)。近年來，憑借這種簡易性以及提升的溫度準(zhǔn)確性，此類器件的應(yīng)用日益普及。

一般來說，分立式熱電偶解決方案使用儀表放大器（INA）來提取熱電偶電壓，而INA會排除掉該器件各輸入端的公共電壓。因為大部分的噪聲都存在于各熱電偶引線上，因此INA可以有效地過濾噪聲。

現(xiàn)在市場上有很多種儀表放大器。傳統(tǒng)的INA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將兩個運(yùn)算放大器作為增益級，然后將增益信號輸送給第三個配置為差分放大器的運(yùn)算放大器，如圖2所示。

圖2： 三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器


該電路的增益用單個電阻Rgain來設(shè)置。盡管這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)DC條件下高于80 dB的共模抑制比（CMRR），但CMRR隨頻率的增加會大幅降低。如果這個器件的用途之一是抑制高頻噪聲的話，就有問題了。使用單個電阻方法，需仔細(xì)斟酌。將內(nèi)部電阻調(diào)節(jié)為一個比率而不是一個絕對值?？墒?，不知道內(nèi)部電阻的絕對值將使得電路增益難以確定。單個電阻相對于外部增益電阻的溫度系數(shù)將是不同的，這會造成一定溫度范圍內(nèi)額外的增益誤差。

新架構(gòu)對電流進(jìn)行疊加而非電壓疊加，改善了更高頻率條件下的共模抑制。如圖3所示，Microchip旗下的MCP6N16器件就是這樣的一個實例。該架構(gòu)生成的電流使跨RG兩端的電壓等于從VIP到VIM之間的差分電壓。

圖3：MCP6N16儀表放大器功能框圖

Vout = (VIP - VIM)*(1 + RF/RG)

請注意：這里使用了兩個外部電阻來設(shè)置增益，消除了之前提到的采用單個電阻方法相關(guān)的顧慮。

總之，與其他溫度測量系統(tǒng)相比，熱電偶信號調(diào)理更為復(fù)雜?，F(xiàn)代INA架構(gòu)及硅基IC溫度傳感器的進(jìn)步解決了許多與熱電偶相關(guān)的歷史性設(shè)計挑戰(zhàn)。此外，幾大芯片制造商也集成了許多用于CJC的模擬、混合信號與溫度傳感器件，在提升系統(tǒng)整體性能的同時進(jìn)一步大大減少了設(shè)計工作。