CN102782468A - 具有集成冷接点补偿及线性化的热电偶电动势电压/温度转换器 - Google Patents

具有集成冷接点补偿及线性化的热电偶电动势电压/温度转换器 Download PDF

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Abstract

一种混合信号集成电路包含：1)模拟前端，其具有用来直接连接到至少一个热电偶的差分输入；2)模/数转换器ADC，其用于将热电偶电压转换为其数字表示；3)线性化电路，其能够执行多阶多项式方程，通过使用基于美国国家标准与技术研究院(NIST)的系数表中对每一类型的热电偶为唯一的系数将所述热电偶电动电压(数字表示)转换为线性温度测量单位；4)集成式温度传感器，其用于测量冷接点温度；5)可选的输入多路复用器，其用于选择多个热电偶中的每一个以用于其测量；6)可选的寄存器，其用于存储所测量的温度值、高及低设定点、报警限制等；及7)通信接口，其用于设定参数及接收温度信息。

Description

具有集成冷接点补偿及线性化的热电偶电动势电压/温度转换器
相关申请案交叉参考
此申请案主张伊扎那海尔基洛斯伊波拉(Ezana Hailekiros Aberra)在2010年3月31日申请的标题为“具有集成冷接点补偿及线性化的热电偶电动势电压到温度转换器(Thermocouple Electromotive Force Voltage to Temperature Converter with IntegratedCold-Junction Compensation and Linearization)”的序号为61/319,854的共同拥有美国临时专利申请案的优先权；且所述专利出于所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及混合信号集成电路，且更特定来说，涉及与热电偶传感器一起使用且具有以下各项的混合信号集成电路：可编程模拟放大器；基于美国国家标准与技术研究所(NIST)的热电偶线性化表；用于冷接点补偿的等温块温度传感器以及任选地输入多路复用器及/或用于存储所测量温度值、高及低设定点及/或报警限制的寄存器。
背景技术
现有热电偶温度传感器仪表化接口包含复杂、耗电且昂贵的多个模拟仪表化及线性化电路。一般来说，冷接点补偿通常使用例如热敏电阻器或RTD等离散独立传感器来实施。
发明内容
因此，需要提供一种用于商业及工业设备热管理的低功率集成电路解决方案，其包含到至少一个热电偶的直接仪表接口，以及借助冷接点温度补偿线性化来自至少一个热电偶的电压并在宽测量温度范围内以卓越测量准确性及分辨率，将那些经线性化及冷接点温度补偿的电压转换为温度测量单位，例如，摄氏温度、华氏温度、开氏温度等。举例来说但不限于，测量温度介于从约-270℃到约1300℃的范围内且具有好于0.5摄氏度的温度测量分辨率。
根据本发明的教示，一种混合信号集成电路包含：1)模拟前端，其具有用来直接连接到至少一个热电偶的差分输入；2)模/数转换器(ADC)，其用于将热电偶电压转换为其数字表示；3)线性化电路，其能够执行多阶多项式方程，通过使用基于美国国家标准与技术研究院(NIST)的系数表中对每一类型的热电偶为唯一的系数将所述热电偶电动电压(数字表示)转换为线性温度测量单位；4)集成式冷接点温度传感器，其用于测量冷接点温度；及5)通信接口，其用于设定参数及接收温度信息。其它可选的特征为(举例来说但不限于)：6)输入多路复用器，其用于选择多个热电偶中的每一个以用于其测量；7)模拟可编程增益放大器(PGA)；及8)寄存器，其用于存储所测量的温度值、高及低设定点、报警限制等。所述线性化电路可为具有存储器的数字处理器的部分，例如，微控制器、微处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(PLA)等。所述数字处理器也可控制输入多路复用器、PGA，将寄存器值存储于存储器中及经由串行接口进行通信。
所述ADC通常以约每最低有效位(LSb)二(2)微伏的测量分辨率来测量在热电偶热接点处产生的热电偶电动势电压。所述冷接点温度传感器测量热电偶冷接点的周围温度。所述数字处理器(例如，微控制器)读取ADC输出数据及集成式温度传感器数据。对数字ADC输出数据及集成式温度传感器求和，且接着依据正在使用的热电偶类型使用高达9阶的多项式方程将其线性化。在多项式方程中使用的系数是从具有用于每一热电偶类型的适当值的查找表供应，其中这些值为由美国国家标准与技术研究所(NIST)提供的标准值。在线性化之后，可在宽测量温度范围内以卓越测量准确性及分辨率将数字数据转换为所要的温度测量单位，例如，摄氏温度、华氏温度、开氏温度等。可经由串行接口(例如，I2C、SPI等)获得经校正、线性化及转换的温度测量单位，及/或可将其存储于存储器的寄存器中。
附图说明
结合附图参照以下描述可获得对本发明的揭示内容的更全面理解，附图中：
图1图解说明根据特定示范性实施例的热电偶接口与线性化集成电路装置的模拟前端的示意性框图；及
图2图解说明根据特定示范性实施例的热电偶接口与线性化集成电路装置的数字处理后端的示意性框图。
尽管本发明易于作出各种修改及替代形式，但其特定示范性实施例已在图式中展示并在本文中详细描述。然而，应了解，本文对特定示范性实施例的描述并非打算将本发明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本发明打算涵盖所附权利要求书所界定的所有修改及等效形式。
具体实施方式
现在参照图式，其示意性地图解说明特定示范性实施例的细节。图式中，相同元件将由相同编号表示，且相似元件将由带有不同小写字母后缀的相同编号表示。
参照图1，其描绘根据特定示范性实施例的热电偶接口与线性化集成电路装置的模拟前端的示意性框图。热电偶接口与线性化集成电路装置的模拟前端(通常由编号100表示)可包含模拟多路复用器106、可编程增益放大器(PGA)104、模/数转换器(ADC)102及冷接点温度传感器112。在所述集成电路装置外部的是用于连接到至少一个热电偶110的冷接点的等温块108。冷接点温度传感器112热耦合到等温块108。来自冷接点温度传感器112的冷接点温度用于至少一个热电偶110的线性化温度值的温度校正。
模拟多路复用器106使得能够介接到多个热电偶110a到110n (经由等温块108)。PGA 104可用来增加ADC 102的模拟输入灵敏度。可由数据获取与控制逻辑226(图2)控制模拟多路复用器106、PGA 104及ADC 102。ADC 102可为(举例来说但不限于)Δ-ΣADC。
参照图2，其描绘根据特定示范性实施例的热电偶接口与线性化集成电路装置的数字处理后端的示意性框图。热电偶接口与线性化集成电路装置的数字处理后端(通常由编号200表示)可包含线性化处理器218、NIST系数表220、数字求和器222、冷接点温度接口224、数据获取与控制逻辑226、存储器及/或寄存器228及通信接口230(例如，串行I2C、SPI、SMBus等)。
一旦已用ADC 102数字化来自热电偶110的未经补偿电压，线性化逻辑218即使用存储于NIST系数表220中的NIST常数针对适合的热电偶类型(例如，J、K、B、E、N、R、S、T等)求解多阶多项式方程。可将NIST系数表220存储于非易失性存储器中，例如，电可擦除及可编程只读存储器(EEPROM))。
一旦已线性化来自热电偶110的数字电压表示，便在数字求和器222中进行冷接点温度调整。冷接点温度调整的目的是将热电偶热接点值正规化为0摄氏度参考温度。冷接点温度传感器112可为(举例来说但不限于)热敏电阻器RTD等，且其模拟输出可在施加到数字求和器222之前用冷接点温度接口224转换成数字值。
数据获取与控制逻辑226可用于将来自数字求和器222的经线性化及经正规化数字温度值转换成所要的温度测量单位，例如，摄氏温度、华氏温度、开氏温度等。数据获取与控制逻辑226还可将各种所测量温度值存储于存储器/寄存器228中及/或比较所述所测量温度值。可将高限制温度值及低限制温度值存储于存储器/寄存器228中以用于报警及/或控制功能。
通信接口230可用于读取温度值、控制温度相关活动(例如，过程控制)、将设定点及报警限制键入到存储器/寄存器228中等。
用于热电偶接口及线性化集成电路装置的集成电路封装可为(举例来说但不限于)超小型封装(MSOP)、小型集成电路(SOIC)、双扁平无引线(DFN)等。当集成电路封装紧密热耦合到等温块108时，DFN封装由于其较好冷接点热传导而为优选的。
预期例如微控制器等混合信号集成电路装置可包括本文所揭示的所有元件(等温块108及热电偶110除外)。等温块108可用来促成连接到至少一个热电偶110的冷侧导线，例如，易于连接到热电偶110的导线的螺丝端子。本发明的意图是呈现一种简单、低成本及易于实施但功能强大的集成电路装置以促成热电偶到商业及工业温度监视与控制系统中的集成及使用。
虽然已参照本发明的示范性实施例描绘、描述及界定了本发明的实施例，但此些参照并不意味着限定本发明，且不应推断出存在此限定。所揭示的标的物能够在形式及功能上具有大量修改、变更及等效形式，所属领域的技术人员受益于本发明将会联想到这些修改、变更及等效形式。所描绘及所描述的本发明的实施例仅作为实例，而并非是对本发明范围的穷尽性说明。

Claims (29)

1.一种用于将热电偶电动势电压转换为温度值且具有集成式冷接点补偿及线性化的设备，其包含：
模/数转换器ADC，其具有耦合到热电偶的模拟输入；
线性化逻辑，其耦合到所述ADC的数字输出；
非易失性存储器，其存储用于所述热电偶的NIST系数表，其中所述线性化逻辑耦合到所述非易失性存储器且当针对与所述热电偶电压的线性化相关联的多项式方程求解时使用来自所述NIST系数表的系数；
冷接点温度传感器；
冷接点温度传感器接口，其用于将所述冷接点温度传感器的温度转换成数字冷接点温度值；
数字求和器，其用于将所述数字冷接点温度值加入来自所述线性化逻辑的线性化数字温度值以用于提供被正规化到温度基数的冷接点温度补偿数字温度值；及
数据采集与控制逻辑，其耦合到所述数字求和器的输出以用于接收所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值及使这些正规化的冷接点温度补偿数字温度值可用于外部系统。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述温度基数为零(0)摄氏度。
3.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含耦合于所述热电偶与所述ADC之间的可编程增益放大器PGA，其中所述PGA由所述数据采集与控制逻辑控制。
4.根据权利要求3所述的设备，其进一步包含用于将所述热电偶电耦合到所述PGA的等温块，且所述冷接点温度传感器热耦合到所述等温块以用于其温度测量。
5.根据权利要求3所述的设备，其进一步包含模拟多路复用器，所述模拟多路复用器具有耦合到所述PGA的输入的输出及用于选择性地将多个热电偶中的每一个耦合到所述PGA的多个输入，其中所述模拟多路复用器由所述数据采集与控制逻辑控制。
6.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含存储器寄存器，所述存储器寄存器耦合到所述数据采集与控制逻辑且用来存储及检索选自由以下各项组成的群组的数字值：设定点、报警限制及所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值中的选定者。
7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包含串行通信接口，所述串行通信接口耦合到所述数据采集与控制逻辑以用于将所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值传递到所述外部系统。
8.根据权利要求7所述的设备，所述串行通信接口选自由以下各项组成的群组：I2C、SPI及SMBus。
9.根据权利要求5所述的设备，其进一步包含用于将所述多个热电偶电耦合到所述模拟多路复用器的所述多个输入的等温块，且所述冷接点温度传感器热耦合到所述等温块以用于其温度测量。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述数据采集与控制逻辑将所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值转换为选自由以下各项组成的群组的温度表示：摄氏温度、华氏温度及开氏温度。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述热电偶选自由以下各项组成的群组：J、K、B、E、N、R、S及T型热电偶。
12.根据权利要求1所述的设备，其中存储于所述非易失性存储器中的所述NIST系数表用于选自由以下各项组成的群组的热电偶：J、K、B、E、N、R、S及T型热电偶。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述ADC、所述线性化逻辑、存储所述NIST系数表的所述非易失性存储器、所述冷接点温度传感器、所述冷接点温度传感器接口、所述数字求和器及所述数据采集与控制逻辑为混合信号集成电路裸片的部分。
14.根据权利要求13所述的设备，其进一步包含包围所述混合信号集成电路裸片的集成电路封装。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述集成电路封装为双扁平无引线DFN集成电路封装。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述集成电路封装选自由以下各项组成的集成电路封装群组：超小型封装MSOP及小型集成电路SOIC。
17.一种用于将热电偶电动势电压转换为温度值且具有集成式冷接点补偿及线性化的系统，所述系统包含：
可编程增益放大器PGA，其具有模拟输入及模拟输出；
模/数转换器ADC，其具有耦合到所述PDA的所述模拟输出的模拟输入；
模拟多路复用器，其具有耦合到所述PGA的所述输入的输出及用于选择性地将多个热电偶中的每一个耦合到所述PGA的多个输入；
线性化逻辑，其耦合到所述ADC的数字输出；
非易失性存储器，其存储用于所述多个热电偶的NIST系数表，其中所述线性化逻辑耦合到所述非易失性存储器且当针对与来自所述多个热电偶中的选定者的热电偶电压的线性化相关联的多项式方程求解时使用来自所述NIST系数表的系数；
冷接点温度传感器；
冷接点温度传感器接口，其用于将所述冷接点温度传感器的温度转换成数字冷接点温度值；
数字求和器，其用于将所述数字冷接点温度值加入来自所述线性化逻辑的线性化数字温度值以用于提供被正规化到温度基数的冷接点温度补偿数字温度值；及
数据采集与控制逻辑，其耦合到所述数字求和器的输出以用于接收所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值及使这些正规化的冷接点温度补偿数字温度值可用于外部系统。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述温度基数为零(0)摄氏度。
19.根据权利要求17所述的系统，其进一步包含用于将所述多个热电偶电耦合到所述模拟多路复用器的所述多个输入的等温块，且所述冷接点温度传感器热耦合到所述等温块以用于其温度测量。
20.根据权利要求17所述的系统，其进一步包含存储器寄存器，所述存储器寄存器耦合到所述数据采集与控制逻辑且用来存储及检索选自由以下各项组成的群组的数字值：设定点、报警限制及所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值中的选定者。
21.根据权利要求17所述的系统，其进一步包含串行通信接口，所述串行通信接口耦合到所述数据采集与控制逻辑以用于将所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值传递到用户。
22.根据权利要求21所述的系统，所述串行通信接口选自由以下各项组成的群组：I2C、SPI及SMBus。
23.根据权利要求17所述的系统，其中所述数据采集与控制逻辑将所述正规化的冷接点温度补偿数字温度值转换为选自由以下各项组成的群组的温度表示：摄氏温度、华氏温度及开氏温度。
24.根据权利要求17所述的系统，其中所述多个热电偶选自由以下各项组成的群组：J、K、B、E、N、R、S及T型热电偶。
25.根据权利要求17所述的系统，其中存储于所述非易失性存储器中的所述NIST系数表用于选自由以下各项组成的群组的热电偶：J、K、B、E、N、R、S及T型热电偶。
26.根据权利要求17所述的系统，其中所述多路复用器、所述PDA、所述ADC、所述线性化逻辑、存储所述NIST系数表的所述非易失性存储器、所述冷接点温度传感器、所述冷接点温度传感器接口、所述数字求和器及所述数据采集与控制逻辑为混合信号集成电路裸片的部分。
27.根据权利要求26所述的系统，其进一步包含用于包围所述混合信号集成电路裸片的集成电路封装。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述集成电路封装为双扁平无引线DFN集成电路封装。
29.根据权利要求27所述的设备，其中所述集成电路封装选自由以下各项组成的集成电路封装群组：超小型封装MSOP及小型集成电路SOIC。
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