TWI516752B - 藉由整合冷接點補償及線性化來熱耦合電動勢電壓至溫度轉換器 - Google Patents

Description

藉由整合冷接點補償及線性化來熱耦合電動勢電壓至溫度轉換器

本發明係關於混合信號積體電路，且更特定而言，係關於與熱電偶感測器一起使用且具有以下各項之混合信號積體電路：一可程式化類比放大器；基於美國國家標準與技術研究所(NIST)之熱電偶線性化表；一用於冷接點補償之等溫區塊溫度感測器以及視情況一輸入多工器及/或用於儲存所量測溫度值、高設定點及低設定點及/或警示限制的若干個暫存器。

此申請案主張Ezana Hailekiros Aberra於2010年3月31日申請之標題為「Thermocouple Electromotive Force Voltage to Temperature Converter with Integrated Cold-Junction Compensation and Linearization,」之序號為61/319,854的共同擁有之美國臨時專利申請案之優選權；且該專利出於所有目的以引用的方式併入本文中。

現有熱電偶溫度感測器儀錶化介面包含複雜、耗電且昂貴之複數個類比儀錶化及線性化電路。一般而言，冷接點補償係使用諸如一熱敏電阻器或RTD之一離散獨立感測器來實施。

因此，希望提供一種用於商業及工業設備熱管理之低功率積體電路解決方案，其包含至至少一個熱電偶之一直接儀錶介面，以及藉助冷接點溫度補償來線性化來自至少一個熱電偶的電壓，並在一寬量測溫度範圍內，以極佳之量測精度及解析度將彼等經線性化及冷接點溫度補償的電壓轉換為溫度量測單位，例如，攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標等。舉例而言(但不限於此)，一量測溫度介於自約-270℃至約1300℃之範圍內，且具有優於0.5攝氏度之溫度量測解析度。

根據本發明之教示，一種混合信號積體電路包含：1)一類比前端，其具有經調適以用於直接連接至至少一熱電偶之差分輸入；2)一類比至數位轉換器(ADC)，用於將熱電偶電壓轉換為其數位表示；3)一線性化電路，其能夠藉由使用基於美國國家標準與技術研究所(NIST)之一係數表之對每一類型之熱電偶唯一的係數來執行多階多項式方程，以將該等熱電偶電動電壓(數位表示)轉換為線性溫度量測單位；4)一整合式冷接點溫度感測器，用於量測冷接點溫度；及5)一通信介面，用於設定參數及接收溫度資訊。其他可選特徵係，舉例而言但不限於，6)一輸入多工器，用於選擇複數個熱電偶中之每一者以用於其量測；7)一類比可程式化增益放大器(PGA)；及8)若干個暫存器，用於儲存所量測溫度值、高設定點及低設定點、警示限制等。該線性化電路可具有一記憶體之一數位處理器之部分，例如，一微控制器、微處理器、數位信號處理器、專用積體電路(ASIC)、可程式化邏輯陣列(PLA)等。該數位處理器亦可控制輸入多工器、PGA，將暫存器值儲存於記憶體中及經由一串列介面進行通信。

該ADC通常以約每最低有效位(LSb)二(2)微伏之量測解析度來量測在熱電偶熱接點處產生之熱電偶電動勢電壓。該冷接點溫度感測器量測熱電偶冷接點之周圍溫度。該數位處理器(例如，一微控制器)讀取ADC輸出資料及整合式溫度感測器資料。對數位ADC輸出資料及整合式溫度感測器求和，且接著視正使用之熱電偶的類型，使用高達9階之多項式方程將其線性化。在多項式方程中使用之係數係自具有用於每一熱電偶類型之適當值之一查找表供應，其中此等值係由美國國家標準與技術研究所(NIST)提供之標準值。在線性化之後，可在一寬量測溫度範圍內，以極佳之量測精度及解析度將數位資料轉換為所希望之溫度量測單位，例如，攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標等。可透過一串列介面(例如，I²C、SPI等)獲得經校正、經線性化及經轉換之溫度量測單位，及/或可將其儲存於一記憶體之暫存器中。

現在參照圖式，其示意性地圖解說明特定實例性實施例的細節。圖式中，相同元件將由相同編號表示，且相似元件將由帶有一不同小寫字母後綴之相同編號表示。

參照圖1，其繪示根據一特定實例性實施例之一熱電偶介面與線性化積體電路裝置之一類比前端的示意性方塊圖。一熱電偶介面與線性化積體電路裝置之類比前端(通常由編號100表示)可包含一類比多工器106、一可程式化增益放大器(PGA)104、一類比至數位轉換器(ADC)102及一冷接點溫度感測器112。在該積體電路外部係用於連接至至少一個熱電偶110之冷接點之一等溫區塊108。冷接點溫度感測器112係熱耦合至等溫區塊108。來自冷接點溫度感測器112之冷接點溫度係用於至少一個熱電偶110之經線性化溫度值之溫度校正中。

類比多工器106使得能夠介接至複數個熱電偶110a-110n(透過等溫區塊108)。PGA 104可用來增加ADC 102類比輸入靈敏度。可由資料獲取與控制邏輯226(圖2)控制類比多工器106、PGA 104及ADC 102。ADC 102可以係舉例而言但不限於一△-ΣADC。

參照圖2，其繪示根據一特定實例性實施例之一熱電偶介面與線性化積體電路裝置之一數位化處理後端的示意性方塊圖。熱電偶介面與線性化積體電路裝置之數位化處理後端(通常由編號200表示)可包含一線性化邏輯218、一NIST係數表220、一數位求和器222、一冷接點溫度介面224、資料獲取與控制邏輯226、記憶體及/或暫存器228及一通信介面230(例如，串列I²C、SPI、SMBus等)。

一旦已用ADC 102數位化來自熱電偶110之未經補償電壓，線性化邏輯218即使用儲存於NIST係數表220中之NIST常數針對適合之熱電偶類型(例如，J、K、B、E、N、R、S、T等)求解多階多項式方程。可將NIST係數表220儲存於一非揮發性記憶體中，例如，電可抹除及可程序化唯讀記憶體(EEPROM)。

一旦已線性化來自熱電偶110之數位電壓表示，即在數位求和器222中進行冷接點溫度調整。冷接點溫度調整之目的係將熱電偶熱接點值正規化為0攝氏度參考溫度。冷接點溫度感測器112可係(舉例而言，但不限於此)一熱敏電阻器RTD等，且其類比輸出可在施加至數位求和器222之前用冷接點溫度介面224轉換成數位值。

資料獲取與控制邏輯226可用於將來自數位求和器222之經線性化及經正規化數位溫度值轉換成所期望之溫度量測單位，例如，攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標等。資料獲取與控制邏輯226亦可將各種所量測溫度值儲存於記憶體/暫存器228中，及/或比較該等所量測溫度值。可將高限制溫度值及低限制溫度值儲存於記憶體/暫存器228中，用於警示及/或控制功能。

通信介面230可用於讀取溫度值、控制溫度相關活動(例如，過程控制)、將設定點及警示限制鍵入至記憶體/暫存器228中等。

用於熱電偶介面及線性化積體電路裝置之積體電路封裝可係(舉例而言但不限於此)微小外形封裝(MSOP)、小外形積體電路(SOIC)、雙扁平無引線(DFN)等。當積體電路封裝係緊密熱耦合至等溫區塊108時，DFN封裝因其較佳之冷接點熱傳導而係較佳的。

本發明涵蓋諸如一微控制器之一種混合信號積體電路裝置，其可包括本文所揭示之所有元件(除了等溫區塊108及熱電偶110以外)。等溫區塊108可經調適以促成連接至至少一熱電偶110之冷側導線，例如，易於連接至熱電偶110之導線的螺絲端子。本發明之意圖係呈現一種簡單、低成本及易於實施但功能強大的積體電路裝置，以促成熱電偶進入商業及工業溫度監視與控制系統中的整合及使用。

雖然已參照本發明之實例性實施例繪示、闡述及界定本發明之實施例，但此參照並不意謂著限定本發明，且不應推斷存在此限定。所揭示之標的物能夠在形式及功能上具有大量修改、變更及等效形式，熟悉此項技術者根據本發明將會聯想到此等修改、變更及等效形式，並受益於本發明。所繪示及所闡述之本發明的實施例僅作為實例，而並非是對本發明範圍之窮盡性說明。

100．．．熱電偶介面與線性化積體電路裝置之類比前端

102．．．類比至數位轉換器

104．．．可程式化增益放大器

106．．．類比多工器

108．．．等溫區塊

110a-110n．．．熱電偶

112．．．冷接點溫度感測器

200．．．熱電偶介面與線性化積體電路裝置之數位化處理後端

218．．．線性化邏輯

220．．．美國國家標準與技術研究所係數表

222．．．數位求和器

224．．．冷接點溫度介面

226．．．資料獲取與控制邏輯

228．．．記憶體/暫存器

230．．．通信介面

已結合附圖參照上文闡述更全面地理解了本發明的揭示內容，在附圖中：

圖1圖解說明根據一特定實例性實施例之一熱電偶介面與線性化積體電路裝置之一類比前端的示意性方塊圖；及

圖2圖解說明根據一特定實例性實施例之一熱電偶介面與線性化積體電路裝置之一數位化處理後端的示意性方塊圖。

儘管本發明易於作出各種修改及替代形式，但其特定實例性實施例已在圖式中展示並在本文中詳細闡述。然而，應瞭解，本文對特定實例性實施例的闡述並非意欲將本發明限定於本文所揭示之特定形式，而是相反，本發明意欲涵蓋隨附申請專利範圍所界定之所有修改及等效形式。

100．．．熱電偶介面與線性化積體電路裝置之類比前端

102．．．類比至數位轉換器

104．．．可程式化增益放大器

106．．．類比多工器

108．．．等溫區塊

110a-110n．．．熱電偶

112．．．冷接點溫度感測器

220．．．線性化邏輯

224．．．冷接點溫度介面

226．．．資料獲取與控制邏輯

Claims (22)

1. 一種用於將熱電偶電動勢電壓轉換為溫度值且具有整合冷接點補償及線性化之混合信號積體電路，其包含：一類比至數位轉換器，其具有可操作以耦合至一熱電偶之一類比輸入；線性化邏輯，其耦合至該類比至數位轉換器之一數位輸出；一非揮發性記憶體，其儲存用於該熱電偶之一美國國家標準與技術研究所係數表，其中該線性化邏輯係耦合至該非揮發性記憶體且當求解與該等熱電偶電壓之線性化相關聯之一多項式方程時使用來自該美國國家標準與技術研究所係數表之係數；一整合冷接點溫度感測器；一冷接點溫度感測器介面，用於將該冷接點溫度感測器之溫度值轉換成數位冷接點溫度值；一數位求和器，用於將該等數位冷接點溫度值加至來自該線性化邏輯之經線性化數位溫度值，以用於提供被正規化至一基底溫度之經冷接點溫度補償之數位溫度值；資料獲取與控制邏輯，其耦合至該數位求和器之一輸出，以用於接收該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值，以及使可用之彼等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值可用於一外部系統；及一用於該混合信號積體電路之積體電路封裝，其經設 計以熱耦合至該熱電偶之一等溫連接區塊。
2. 如請求項1之混合信號積體電路，其中該基底溫度為攝氏零度。
3. 如請求項1之混合信號積體電路，進一步包含耦合於該熱電偶與該類比至數位轉換器之間之一可程式化增益放大器，其中該可程式化增益放大器係由該資料獲取與控制邏輯控制。
4. 如請求項3之混合信號積體電路，進一步包含一類比多工器，該類比多工器具有：一輸出，其耦合至該可程式化增益放大器之輸入；及複數個輸入，用於將複數個熱電偶中之每一者可選擇地耦合至該可程式化增益放大器，其中該類比多工器係由該資料獲取與控制邏輯控制。
5. 如請求項1之混合信號積體電路，進一步包含多個記憶體暫存器，其耦合至該資料獲取與控制邏輯且經調適以用於儲存及擷取選自由以下各項組成之群組的數位值：設定點、警示限制及該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值中之選定者。
6. 如請求項1之混合信號積體電路，進一步包含一串列通信介面，該串列通信介面耦合至該資料獲取與控制邏輯，以用於將該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值傳遞至該外部系統。
7. 如請求項6之混合信號積體電路，該串列通信介面係選自由以下各項組成之群組：I²C、SPI及SMBus。
8. 如請求項1之混合信號積體電路，其中該資料獲取與控制邏輯將該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值轉換為選自由以下各項組成之群組的溫度表示：攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標。
9. 如請求項1之混合信號積體電路，其中該熱電偶係選自由以下各項組成之群組：J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
10. 如請求項1之混合信號積體電路，其中儲存於該非揮發性記憶體中之該美國國家標準與技術研究所係數表係用於選自由以下各項組成之群組之熱電偶：J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
11. 如請求項1之混合信號積體電路，其中該積體電路封裝係一雙扁平無引線積體電路封裝。
12. 如請求項1之混合信號積體電路，其中該積體電路封裝係選自由以下各項組成之群組：微小外形封裝及小外形積體電路。
13. 一種用於將熱電偶電動勢電壓轉換為溫度值且具有整合冷接點補償及線性化之系統，其包含：一混合信號積體電路，其包含：一可程式化增益放大器，其包括一類比輸入及一類比輸出；一類比至數位轉換器，其具有耦合至該可程式化增益放大器之該類比輸出之一類比輸入；一類比多工器，其具有：一輸出，其耦合至該可程 式化增益放大器該輸入；及複數個輸入，用於將複數個熱電偶中之每一者可選擇地耦合至該可程式化增益放大器；線性化邏輯，其耦合至該類比至數位轉換器一數位輸出；一非揮發性記憶體，其儲存用於該複數個熱電偶之一美國國家標準與技術研究所係數表，其中該線性化邏輯係耦合至該非揮發性記憶體，且當求解與來自該複數個熱電偶中之一選定者之熱電偶電壓之線性化相關聯之一多項式方程時，使用來自該美國國家標準與技術研究所係數表之係數；一整合冷接點溫度感測器；一冷接點溫度感測器介面，用於將該冷接點溫度感測器之溫度值轉換成數位冷接點溫度值；一數位求和器，用於將該等數位冷接點溫度值加至來自該線性化邏輯之經線性化數位溫度值，以用於提供被正規化至一基底溫度之經冷接點溫度補償的數位溫度值；資料獲取與控制邏輯，其耦合至該數位求和器之一輸出，以用於接收該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值，以及使得可用之彼等正規化之經冷接點溫度補償的數位溫度值可用於該系統；及一用於該混合信號積體電路之積體電路封裝，其經設計以熱耦合至一熱電偶之一等溫連接區塊；及 與一等溫區塊耦合之至少一熱電偶，該等溫區塊緊密近接該混合信號積體電路以用於將該熱電偶電耦合至該類比多工器或該可程式化增益放大器，其中該緊密近接提供該整合冷接點溫度感測器與該等溫區塊之間的一熱耦合以用於其溫度量測。
14. 如請求項13之系統，其中該基底溫度為攝氏零度。
15. 如請求項13之系統，進一步包含多個記憶體暫存器，其耦合至該資料獲取與控制邏輯且經調適以用於儲存及擷取選自由以下各項組成之群組的數位值：設定點、警示限制及該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值中之選定者。
16. 如請求項13之系統，進一步包含一串列通信介面，該串列通信介面耦合至該資料獲取與控制邏輯以用於將該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值傳遞至一使用者。
17. 如請求項16之系統，該串列通信介面係選自由以下各項組成之群組：I²C、SPI及SMBus。
18. 如請求項13之系統，其中該資料獲取與控制邏輯將該等正規化之經冷接點溫度補償之數位溫度值轉換為選自由以下各項組成之群組的溫度表示：攝氏溫標、華氏溫標、凱氏溫標。
19. 如請求項13之系統，其中該複數個熱電偶係選自由以下各項組成之群組：J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
20. 如請求項13之系統，其中儲存於該非揮發性記憶體中之該美國國家標準與技術研究所係數表係用於選自由以下各項組成之群組的熱電偶：J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
21. 如請求項13之系統，其中該積體電路封裝係一雙扁平無引線積體電路封裝。
22. 如請求項13之系統，其中該積體電路封裝係選自由以下各項組成之群組：微小外形封裝及小外形積體電路。