專利名稱：具有集成冷接點(diǎn)補(bǔ)償及線性化的熱電偶電動(dòng)勢(shì)電壓/溫度轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合信號(hào)集成電路，且更特定來說，涉及與熱電偶傳感器一起使用且具有以下各項(xiàng)的混合信號(hào)集成電路可編程模擬放大器；基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的熱電偶線性化表；用于冷接點(diǎn)補(bǔ)償?shù)牡葴貕K溫度傳感器以及任選地輸入多路復(fù)用器及/或用于存儲(chǔ)所測(cè)量溫度值、高及低設(shè)定點(diǎn)及/或報(bào)警限制的寄存器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有熱電偶溫度傳感器儀表化接口包含復(fù)雜、耗電且昂貴的多個(gè)模擬儀表化及線性化電路。一般來說，冷接點(diǎn)補(bǔ)償通常使用例如熱敏電阻器或RTD等離散獨(dú)立傳感器來實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
因此，需要提供一種用于商業(yè)及工業(yè)設(shè)備熱管理的低功率集成電路解決方案，其包含到至少一個(gè)熱電偶的直接儀表接口，以及借助冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償線性化來自至少一個(gè)熱電偶的電壓并在寬測(cè)量溫度范圍內(nèi)以卓越測(cè)量準(zhǔn)確性及分辨率，將那些經(jīng)線性化及冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)碾妷恨D(zhuǎn)換為溫度測(cè)量單位，例如，攝氏溫度、華氏溫度、開氏溫度等。舉例來說但不限于，測(cè)量溫度介于從約_270°C到約1300°C的范圍內(nèi)且具有好于0. 5攝氏度的溫度測(cè)量分辨率。根據(jù)本發(fā)明的教示，一種混合信號(hào)集成電路包含1)模擬前端，其具有用來直接連接到至少一個(gè)熱電偶的差分輸入；2)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其用于將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示；3)線性化電路，其能夠執(zhí)行多階多項(xiàng)式方程，通過使用基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的系數(shù)表中對(duì)每一類型的熱電偶為唯一的系數(shù)將所述熱電偶電動(dòng)電壓(數(shù)字表示)轉(zhuǎn)換為線性溫度測(cè)量單位；4)集成式冷接點(diǎn)溫度傳感器，其用于測(cè)量冷接點(diǎn)溫度；及5)通信接口，其用于設(shè)定參數(shù)及接收溫度信息。其它可選的特征為(舉例來說但不限于)6)輸入多路復(fù)用器，其用于選擇多個(gè)熱電偶中的每一個(gè)以用于其測(cè)量；7)模擬可編程增益放大器(PGA);及8)寄存器，其用于存儲(chǔ)所測(cè)量的溫度值、高及低設(shè)定點(diǎn)、報(bào)警限制等。所述線性化電路可為具有存儲(chǔ)器的數(shù)字處理器的部分，例如，微控制器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯陣列(PLA)等。所述數(shù)字處理器也可控制輸入多路復(fù)用器、PGA，將寄存器值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中及經(jīng)由串行接口進(jìn)行通信。所述ADC通常以約每最低有效位(LSb) 二⑵微伏的測(cè)量分辨率來測(cè)量在熱電偶熱接點(diǎn)處產(chǎn)生的熱電偶電動(dòng)勢(shì)電壓。所述冷接點(diǎn)溫度傳感器測(cè)量熱電偶冷接點(diǎn)的周圍溫度。所述數(shù)字處理器(例如，微控制器)讀取ADC輸出數(shù)據(jù)及集成式溫度傳感器數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)字ADC輸出數(shù)據(jù)及集成式溫度傳感器求和，且接著依據(jù)正在使用的熱電偶類型使用高達(dá)9階的多項(xiàng)式方程將其線性化。在多項(xiàng)式方程中使用的系數(shù)是從具有用于每一熱電偶類型的適當(dāng)值的查找表供應(yīng)，其中這些值為由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)提供的標(biāo)準(zhǔn)值。在線性化之后，可在寬測(cè)量溫度范圍內(nèi)以卓越測(cè)量準(zhǔn)確性及分辨率將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所要的溫度測(cè)量單位，例如，攝氏溫度、華氏溫度、開氏溫度等?？山?jīng)由串行接口(例如，I2C、SPI等)獲得經(jīng)校正、線性化及轉(zhuǎn)換的溫度測(cè)量單位，及/或可將其存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器的寄存器中。



結(jié)合附圖參照以下描述可獲得對(duì)本發(fā)明的揭示內(nèi)容的更全面理解，附圖中圖I圖解說明根據(jù)特定示范性實(shí)施例的熱電偶接口與線性化集成電路裝置的模擬前端的示意性框圖；及圖2圖解說明根據(jù)特定示范性實(shí)施例的熱電偶接口與線性化集成電路裝置的數(shù)字處理后端的示意性框圖。盡管本發(fā)明易于作出各種修改及替代形式，但其特定示范性實(shí)施例已在圖式中展示并在本文中詳細(xì)描述。然而，應(yīng)了解，本文對(duì)特定示范性實(shí)施例的描述并非打算將本發(fā)明限定于本文所揭示的特定形式，而是相反，本發(fā)明打算涵蓋所附權(quán)利要求書所界定的所有修改及等效形式。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照?qǐng)D式，其示意性地圖解說明特定示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)。圖式中，相同元件將由相同編號(hào)表示，且相似元件將由帶有不同小寫字母后綴的相同編號(hào)表示。參照?qǐng)D1，其描繪根據(jù)特定示范性實(shí)施例的熱電偶接口與線性化集成電路裝置的模擬前端的示意性框圖。熱電偶接口與線性化集成電路裝置的模擬前端(通常由編號(hào)100表示)可包含模擬多路復(fù)用器106、可編程增益放大器(PGA) 104、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 102及冷接點(diǎn)溫度傳感器112。在所述集成電路裝置外部的是用于連接到至少一個(gè)熱電偶110的冷接點(diǎn)的等溫塊108。冷接點(diǎn)溫度傳感器112熱耦合到等溫塊108。來自冷接點(diǎn)溫度傳感器112的冷接點(diǎn)溫度用于至少一個(gè)熱電偶110的線性化溫度值的溫度校正。模擬多路復(fù)用器106使得能夠介接到多個(gè)熱電偶IlOa到IlOn (經(jīng)由等溫塊108)。PGA 104可用來增加ADC 102的模擬輸入靈敏度?？捎蓴?shù)據(jù)獲取與控制邏輯226 (圖2)控制模擬多路復(fù)用器106、PGA 104及ADC 102。ADC 102可為(舉例來說但不限于)A-2ADC。參照?qǐng)D2，其描繪根據(jù)特定示范性實(shí)施例的熱電偶接口與線性化集成電路裝置的數(shù)字處理后端的示意性框圖。熱電偶接口與線性化集成電路裝置的數(shù)字處理后端(通常由編號(hào)200表示)可包含線性化處理器218、NIST系數(shù)表220、數(shù)字求和器222、冷接點(diǎn)溫度接口 224、數(shù)據(jù)獲取與控制邏輯226、存儲(chǔ)器及/或寄存器228及通信接口 230 (例如，串行12。、5卩1、5]\^118等)。一旦已用ADC 102數(shù)字化來自熱電偶110的未經(jīng)補(bǔ)償電壓，線性化邏輯218即使用存儲(chǔ)于NIST系數(shù)表220中的NIST常數(shù)針對(duì)適合的熱電偶類型(例如，J、K、B、E、N、R、
S、T等)求解多階多項(xiàng)式方程?？蓪IST系數(shù)表220存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中，例如，電可擦除及可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM))。一旦已線性化來自熱電偶110的數(shù)字電壓表示，便在數(shù)字求和器222中進(jìn)行冷接點(diǎn)溫度調(diào)整。冷接點(diǎn)溫度調(diào)整的目的是將熱電偶熱接點(diǎn)值正規(guī)化為0攝氏度參考溫度。冷接點(diǎn)溫度傳感器112可為(舉例來說但不限于)熱敏電阻器RTD等，且其模擬輸出可在施加到數(shù)字求和器222之前用冷接點(diǎn)溫度接口 224轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。數(shù)據(jù)獲取與控制邏輯226可用于將來自數(shù)字求和器222的經(jīng)線性化及經(jīng)正規(guī)化數(shù)
字溫度值轉(zhuǎn)換成所要的溫度測(cè)量單位，例如，攝氏溫度、華氏溫度、開氏溫度等。數(shù)據(jù)獲取與控制邏輯226還可將各種所測(cè)量溫度值存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器/寄存器228中及/或比較所述所測(cè)量溫度值?？蓪⒏呦拗茰囟戎导暗拖拗茰囟戎荡鎯?chǔ)于存儲(chǔ)器/寄存器228中以用于報(bào)警及/或控制功能。通信接口 230可用于讀取溫度值、控制溫度相關(guān)活動(dòng)(例如，過程控制)、將設(shè)定點(diǎn)及報(bào)警限制鍵入到存儲(chǔ)器/寄存器228中等。用于熱電偶接口及線性化集成電路裝置的集成電路封裝可為(舉例來說但不限于)超小型封裝(MSOP)、小型集成電路(SOIC)、雙扁平無引線(DFN)等。當(dāng)集成電路封裝緊密熱耦合到等溫塊108時(shí)，DFN封裝由于其較好冷接點(diǎn)熱傳導(dǎo)而為優(yōu)選的。預(yù)期例如微控制器等混合信號(hào)集成電路裝置可包括本文所揭示的所有元件(等溫塊108及熱電偶110除外)。等溫塊108可用來促成連接到至少一個(gè)熱電偶110的冷側(cè)導(dǎo)線，例如，易于連接到熱電偶110的導(dǎo)線的螺絲端子。本發(fā)明的意圖是呈現(xiàn)一種簡(jiǎn)單、低成本及易于實(shí)施但功能強(qiáng)大的集成電路裝置以促成熱電偶到商業(yè)及工業(yè)溫度監(jiān)視與控制系統(tǒng)中的集成及使用。雖然已參照本發(fā)明的示范性實(shí)施例描繪、描述及界定了本發(fā)明的實(shí)施例，但此些參照并不意味著限定本發(fā)明，且不應(yīng)推斷出存在此限定。所揭示的標(biāo)的物能夠在形式及功能上具有大量修改、變更及等效形式，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員受益于本發(fā)明將會(huì)聯(lián)想到這些修改、變更及等效形式。所描繪及所描述的本發(fā)明的實(shí)施例僅作為實(shí)例，而并非是對(duì)本發(fā)明范圍的窮盡性說明。
權(quán)利要求
1.一種用于將熱電偶電動(dòng)勢(shì)電壓轉(zhuǎn)換為溫度值且具有集成式冷接點(diǎn)補(bǔ)償及線性化的設(shè)備，其包含 摸/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，其具有耦合到熱電偶的模擬輸入； 線性化邏輯，其耦合到所述ADC的數(shù)字輸出； 非易失性存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)用于所述熱電偶的NIST系數(shù)表，其中所述線性化邏輯耦合到所述非易失性存儲(chǔ)器且當(dāng)針對(duì)與所述熱電偶電壓的線性化相關(guān)聯(lián)的多項(xiàng)式方程求解時(shí)使用來自所述NIST系數(shù)表的系數(shù)； 冷接點(diǎn)溫度傳感器； 冷接點(diǎn)溫度傳感器接ロ，其用于將所述冷接點(diǎn)溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字冷接點(diǎn)溫度值； 數(shù)字求和器，其用于將所述數(shù)字冷接點(diǎn)溫度值加入來自所述線性化邏輯的線性化數(shù)字溫度值以用于提供被正規(guī)化到溫度基數(shù)的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值；及 數(shù)據(jù)采集與控制邏輯，其耦合到所述數(shù)字求和器的輸出以用于接收所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值及使這些正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值可用于外部系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述溫度基數(shù)為零(O)攝氏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含耦合于所述熱電偶與所述ADC之間的可編程增益放大器PGA，其中所述PGA由所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含用于將所述熱電偶電耦合到所述PGA的等溫塊，且所述冷接點(diǎn)溫度傳感器熱耦合到所述等溫塊以用于其溫度測(cè)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含模擬多路復(fù)用器，所述模擬多路復(fù)用器具有耦合到所述PGA的輸入的輸出及用于選擇性地將多個(gè)熱電偶中的每ー個(gè)耦合到所述PGA的多個(gè)輸入，其中所述模擬多路復(fù)用器由所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含存儲(chǔ)器寄存器，所述存儲(chǔ)器寄存器耦合到所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯且用來存儲(chǔ)及檢索選自由以下各項(xiàng)組成的群組的數(shù)字值設(shè)定點(diǎn)、報(bào)警限制及所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值中的選定者。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含串行通信接ロ，所述串行通信接ロ耦合到所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯以用于將所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值傳遞到所述外部系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，所述串行通信接ロ選自由以下各項(xiàng)組成的群組I2C、SPI 及 SMBus。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含用于將所述多個(gè)熱電偶電耦合到所述模擬多路復(fù)用器的所述多個(gè)輸入的等溫塊，且所述冷接點(diǎn)溫度傳感器熱耦合到所述等溫塊以用于其溫度測(cè)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯將所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值轉(zhuǎn)換為選自由以下各項(xiàng)組成的群組的溫度表示攝氏溫度、華氏溫度及開氏溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述熱電偶選自由以下各項(xiàng)組成的群組J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中存儲(chǔ)于所述非易失性存儲(chǔ)器中的所述NIST系數(shù)表用于選自由以下各項(xiàng)組成的群組的熱電偶J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述ADC、所述線性化邏輯、存儲(chǔ)所述NIST系數(shù)表的所述非易失性存儲(chǔ)器、所述冷接點(diǎn)溫度傳感器、所述冷接點(diǎn)溫度傳感器接ロ、所述數(shù)字求和器及所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯為混合信號(hào)集成電路裸片的部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其進(jìn)ー步包含包圍所述混合信號(hào)集成電路裸片的集成電路封裝。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述集成電路封裝為雙扁平無引線DFN集成電路封裝。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其中所述集成電路封裝選自由以下各項(xiàng)組成的集成 電路封裝群組超小型封裝MSOP及小型集成電路S0IC。
17.一種用于將熱電偶電動(dòng)勢(shì)電壓轉(zhuǎn)換為溫度值且具有集成式冷接點(diǎn)補(bǔ)償及線性化的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含 可編程增益放大器PGA，其具有模擬輸入及模擬輸出； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，其具有耦合到所述PDA的所述模擬輸出的模擬輸入； 模擬多路復(fù)用器，其具有耦合到所述PGA的所述輸入的輸出及用于選擇性地將多個(gè)熱電偶中的每ー個(gè)耦合到所述PGA的多個(gè)輸入； 線性化邏輯，其耦合到所述ADC的數(shù)字輸出； 非易失性存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)用于所述多個(gè)熱電偶的NIST系數(shù)表，其中所述線性化邏輯耦合到所述非易失性存儲(chǔ)器且當(dāng)針對(duì)與來自所述多個(gè)熱電偶中的選定者的熱電偶電壓的線性化相關(guān)聯(lián)的多項(xiàng)式方程求解時(shí)使用來自所述NIST系數(shù)表的系數(shù)； 冷接點(diǎn)溫度傳感器； 冷接點(diǎn)溫度傳感器接ロ，其用于將所述冷接點(diǎn)溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字冷接點(diǎn)溫度值； 數(shù)字求和器，其用于將所述數(shù)字冷接點(diǎn)溫度值加入來自所述線性化邏輯的線性化數(shù)字溫度值以用于提供被正規(guī)化到溫度基數(shù)的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值；及 數(shù)據(jù)采集與控制邏輯，其耦合到所述數(shù)字求和器的輸出以用于接收所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值及使這些正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值可用于外部系統(tǒng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述溫度基數(shù)為零(0)攝氏度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其進(jìn)ー步包含用于將所述多個(gè)熱電偶電耦合到所述模擬多路復(fù)用器的所述多個(gè)輸入的等溫塊，且所述冷接點(diǎn)溫度傳感器熱耦合到所述等溫塊以用于其溫度測(cè)量。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其進(jìn)ー步包含存儲(chǔ)器寄存器，所述存儲(chǔ)器寄存器耦合到所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯且用來存儲(chǔ)及檢索選自由以下各項(xiàng)組成的群組的數(shù)字值設(shè)定點(diǎn)、報(bào)警限制及所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值中的選定者。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其進(jìn)ー步包含串行通信接ロ，所述串行通信接ロ耦合到所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯以用于將所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值傳遞到用戶。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，所述串行通信接ロ選自由以下各項(xiàng)組成的群組I2C,SPI 及 SMBus。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯將所述正規(guī)化的冷接點(diǎn)溫度補(bǔ)償數(shù)字溫度值轉(zhuǎn)換為選自由以下各項(xiàng)組成的群組的溫度表示攝氏溫度、華氏溫度及開氏溫度。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)熱電偶選自由以下各項(xiàng)組成的群組J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中存儲(chǔ)于所述非易失性存儲(chǔ)器中的所述NIST系數(shù)表用于選自由以下各項(xiàng)組成的群組的熱電偶J、K、B、E、N、R、S及T型熱電偶。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述多路復(fù)用器、所述PDA、所述ADC、所述線性化邏輯、存儲(chǔ)所述NIST系數(shù)表的所述非易失性存儲(chǔ)器、所述冷接點(diǎn)溫度傳感器、所述冷接點(diǎn)溫度傳感器接ロ、所述數(shù)字求和器及所述數(shù)據(jù)采集與控制邏輯為混合信號(hào)集成電路裸片的部分。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其進(jìn)ー步包含用于包圍所述混合信號(hào)集成電路裸片的集成電路封裝。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述集成電路封裝為雙扁平無引線DFN集成電路封裝。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中所述集成電路封裝選自由以下各項(xiàng)組成的集成電路封裝群組超小型封裝MSOP及小型集成電路S0IC。
全文摘要
一種混合信號(hào)集成電路包含1)模擬前端，其具有用來直接連接到至少一個(gè)熱電偶的差分輸入；2)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，其用于將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為其數(shù)字表示；3)線性化電路，其能夠執(zhí)行多階多項(xiàng)式方程，通過使用基于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的系數(shù)表中對(duì)每一類型的熱電偶為唯一的系數(shù)將所述熱電偶電動(dòng)電壓(數(shù)字表示)轉(zhuǎn)換為線性溫度測(cè)量單位；4)集成式溫度傳感器，其用于測(cè)量冷接點(diǎn)溫度；5)可選的輸入多路復(fù)用器，其用于選擇多個(gè)熱電偶中的每一個(gè)以用于其測(cè)量；6)可選的寄存器，其用于存儲(chǔ)所測(cè)量的溫度值、高及低設(shè)定點(diǎn)、報(bào)警限制等；及7)通信接口，其用于設(shè)定參數(shù)及接收溫度信息。
文檔編號(hào)G01K7/12GK102782468SQ201180012162
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者埃扎娜·海爾基羅斯·阿貝拉 申請(qǐng)人:密克羅奇普技術(shù)公司