多点热电偶精密测试电路_基于CD4051的多点热电偶转换电路_基于ADOP07的热电偶的放大电路

　　热电偶是利用物理学中的塞贝克效应制成的温敏传感器，它由两种不同的导体烧结而成，电阻几乎为零，而且输出的热电势极弱，每度仅为徽伏级，因此给测量带来一定困难。加上热电偶本身的非线性因素、外界电场其他干扰等因素就会增加侧的精确度。

　　为解决上述因素所产生的测量问题，本文介绍了一种由低失调高精度运算放大器ADOP07组成同相并联型差动放大电路，对热电偶进行非电测量；选用CD4051芯片构成分时切换电路，以实现温度多点测量；采用AD538芯片组成平方运算电路，以进行温度线性补偿；最后将测数据通过A/D转换器送单片机进行数据处理，运用现代模糊控制理论进行控制以达到精密测和控制目的电路系统。

　　电路功能

　　本电路应用于一个高精度的测温仪器，使受控温度误差不超过±0.5℃，其原因是在1s时间内循环测出各点数次的温度值送单片机进行数据加工处理，应用模糊控制理论算出提前控制量进行超前控制，从而达到精密温度测量和控制加热装目的。

　　基于CD4051的多点热电偶转换电路

　　为使该系统能进行多点温度测量，本文采用分时控制方法，将送来的控制信号加到二块多路转换器CD4051的A0、A1、A2控制端，分别对Y0，⋯，Y7进行选通控制，在不同的时间段内选通不同的热电偶，达到测不同点温度的目的。热电偶的热电势分别由CD4051的第3脚输出。如图所示，图中TXO~TX7为热电偶。Co、C´o为输入滤波电容，因为热电偶的热电势很小，如果电容漏电大，就会产生漂移电压，假如Co漏电流为0.1μA，经后级放大1000倍会产生0.1μA*1000=100μA的漂移电流。因此有必要选用漏电极小的钽电容。R1、R2、D1、R´1、R´2、D´1为热电偶断线保护（图中只标注了一路其余路皆同）。

　　基于ADOP07的热电偶的放大电路

　　由于热电偶的输出电压极低，其值为几十μV/℃，因此设计优良的放大电路是保证测量精度的先决条件。

　　本文采用3个组成高输入阻抗的同相并联型差动比例放大器，如图所示。该电路增益调节范围比较宽，而且共模电压全部加在电阻R95两端，因而完全不影响输出电压，且与R96、R97反馈电阻无关，推导结果是放大的共模抑制比：

　　可见，本电路的共模抑制能力主要取决于两个运算放大器共模抑制比的一致性。因此，选用线性好、低失调、高精度、低漂移、共模抑制能力强的运算放大器ADOP07组成热电偶的放大电路。通过精心设计与调整，经实测该放大电路线性度已达到设计预期目标，如下表所示。

　　热电偶的线性化电路

　　由于热电偶的热电势与温度关系为非线性关系，K型热电偶的热电势与温度关系曲线在0℃到600℃时最大非线性误差为-1%，非线性化特性曲线如图所示。因此，为保证测量精度就要进行线性优化。根据多项式线性化的方法，设温度为T，各项系数为a0，⋯aN，则热电偶的热电势可表示为：

　　如果获得高次幕级数的函数，就可构成线性电路，只要取到2次幂就可以获得足够的精度。一般型热电偶的热电势近似表达式为：

　　当温度为200℃时，查出K型热电偶热电势为+8.137mV，根据式3可算出Vout=200.31mV当温度为400℃时，热电势为+16.395mV，也可算出从Vout=399.68mV。由上述可知，假如200℃对应200.31mV，400℃对应399.68mV，之间只相差0.31mV和0.32mV，可知温度与输出电压有着良好的线性关系。

　　由上可知，线性化电路的关键是求平方的运算，本文选用最适宜进行平方运算的集成电路芯片AD538，其精度0.5%为且动态范围宽，片内设有高精度基准电压源。有3个输入VX（15脚）、VY（10脚）和VZ（2脚）端口可组成Vout=VY（VZ/VX）m的函数关系，不用外接元件即可构成平方运算的电路。

　　线性化电路如图所示，由AD538和ADOP07及其外围电阻等构成，运放U10的外围电阻R91~R94决定多项式的1次幕系数和次幕系数的增益，R135和R138提供式3中的-0.776mV的偏置电压，经精心调整元器件参数后，经线性化后大为改善，实测误差从原来的-1%的非线性误差降低至0.1~0.2%之内，下图是经线性化后的特性曲线。

　　基准结点温度补偿电路

　　热电偶的热电势与测温结点和基准结点（冷结点）的温度必须保持恒定，标准中规定基准结点的热电势为0℃时的热电势，因此基准结点温度不为0℃时，就要加上相当于基准结点温度的等效热电势，本文选用较适用于K型热电偶使用AD592的温度传感器来测量基准结点温度，只要对AD592提供一定的电压，就可获得与绝对温度成比例的输出电压，因AD592的灵敏度为1μA/℃，可对以25℃为中心，温度系数为40.44μV/℃的K型热电偶基准结点进行补偿因此，当环境温度为T时，调节差动比例放大器U12B中的RW的大小可改变U12B的输出电压从而达到对温度的补偿，具体电路如图所示。图中U12A为跟随器，以提高对后级的驱动能力。

　　A/D转换与单片机接口电路

　　热电偶放大信号经过以上处理后，输入到A/D转换集成电路的IN+脚，由MC1403提供+2V的基准比较电压给A/D转换器，进行数模信号处理并送单片机W78E58B进行控制、显示、预等功能，从而完成精密测量，智能化控制一系列过程。
　　为使该系统能进行多点温度测量，本文采用分时控制方法，将送来的控制信号加到二块多路转换器CD4051的A0、A1、A2控制端，分别对Y0，⋯，Y7进行选通控制，在不同的时间段内选通不同的热电偶，达到测不同点温度的目的。热电偶的热电势分别由CD4051的第3脚输出。如图所示，图中TXO~TX7为热电偶。Co、C´o为输入滤波电容，因为热电偶的热电势很小，如果电容漏电大，就会产生漂移电压，假如Co漏电流为0.1μA，经后级放大1000倍会产生0.1μA*1000=100μA的漂移电流。因此有必要选用漏电极小的钽电容。R1、R2、D1、R´1、R´2、D´1为热电偶断线保护（图中只标注了一路其余路皆同）。