Jste zde

AD8494: O sledovači a ještě přesnějším měření teploty

Jan Robenek, 14. Duben 2011 - 0:00

V překladu původního dokumentu společnosti Analog Devices s názvem High-Resolution Temperature Measurement, autorské dvojice Moshe Gerstenhaber a Michael O’Sullivan, přinášíme několik zajímavých postřehů přímo z praxe.

Integrovaný obvod

AD8494,
Precision Thermocouple Amplifier with Cold Junction Compensation,

tj. zesilovací struktura, navržená s ohledem na zapojení s termočlánky, nabídne vestavěné teplotní čidlo, které obvykle využíváme ke kompenzaci (studený konec), což znamená, že lze součástku využít také jako samostatný teploměr s Celsiovou stupnicí, uzemníme – li předtím vstupy pro termočlánek. V takové konfiguraci následně zesilovač generuje výstupní napětí 5 mV/°C, měřené mezi výstupem a (zpravidla uzemněnými) referenčními piny použitého přístrojového zesilovače. Slabina takového postupu však spočívá v docela žalostném rozlišení systému, budeme – li vyhodnocovat omezené teplotní rozsahy.

Uvažujme následující příklad: Máme 10bitový A/D převodník, živený z jednoduchého, 5 V napájecího zdroje, vykazující rozlišení 4,88 mV/LSB. To znamená, že zapojení, znázorněné na obr. 1, bude pracovat s rozlišením něco okolo 1 °C/LSB. Uvažujeme – li pak relativně úzký, zkoumaný teplotní rozsah, řekněme 20 °C, dostáváme výstupní změnu 100 mV, což reprezentuje pouhou 1/50 dostupného dynamického rozsahu A/D převodníku.

Obr. 1: Jednoduchý teploměr

Tento problém proto řešíme obvodem, zapojeným dle obr. 2. Stejně jako předtím zde zesilovač generuje napětí 5 mV/°C, získávané mezi výstupem a referenčními piny přístrojového zesilovače. Nyní však budeme referenční pin řídit operačním zesilovačem

AD8538,
Low Power, Precision, Auto-Zero Op Amp,

zapojeným jako sledovač s jednotkovým zesílením, takže se napěťová změna 5 mV/°C objeví na rezistoru R1. Proud, tekoucí rezistorem R1, zároveň protéká připojeným R2, generujíce tak teplotně citlivé napětí na sériovém spojení odporů, tj. (R1 + R2)/R1 krát napětí na R1. Budeme – li nyní uvažovat konkrétní hodnoty ze schématu, dostaneme změnu výstupního napětí, rovnu 20 × 5 mV/°C = 100 mV/°C, takže teplotní posun o 20 °C způsobí 2 V změnu výstupního napětí. Nově získané rozlišení systému 0,05 °C/LSB tedy představuje zlepšení v poměru 20 : 1, budeme – li výsledek porovnávat s předcházejícím zapojením. Integrovaný obvod AD8538 zde přitom vystupuje jako buffer pro rezistorovou síť, zatímco řídí referenční pin s nízkou impedancí, aby tak udržel solidní CMR (common-mode rejection) a také přesné zesílení.

Obr. 2: Měření teploty s vysokým rozlišením

Pozornost přitom musíme věnovat souhře citlivosti systému vzhledem k zamýšlenému teplotnímu rozsahu. Budeme – li mít například na 25 °C výstupní napětí 2,5 V, můžeme s takovým systémem přesně měřit v rozsahu od 5 °C až do 45 °C – výstupní napětí se totiž mění od 0,5 V až do 4,5 V. Větší citlivost a také přizpůsobitelné rozsahy teplot pak nabídne schéma zapojení, třeba jako to na obr. 3.

Odporový dělič, složený z rezistorů R3 a R4, zde simuluje napětí termočlánku, zajišťující offset zesilovacího stupně, nulujíce jeho výstupní napětí s přihlédnutím k požadované úrovni. Bude – li však Vdd zarušené, měli bychom použít přesnou napěťovou referenci spolu s odpovídajícím děličem, čímž dosáhneme čistějšího a také mnohem přesnějšího přizpůsobení offsetu. Jak vidíme, zapojení na 25 °C vykazuje výstupní napětí okolo 0,05 V, citlivost 100 mV/°C (rozlišení 0,05 °C/LSB) a pracovní rozsah přibližně od 25 °C do 75 °C. Obvod AD8494 pracuje s počáteční chybou offsetu ±1 °C až ±3 °C, takže vývojář musí zapracovat vhodnou kalibraci offsetu, kterou vylepší absolutní přesnost.