3. 热电偶信号调理：冷端补偿与放大电路设计
热电偶输出的是微弱的电压信号（通常为μV/℃量级），且其参考端（冷端）温度必须恒定或进行补偿，才能准确测量热端温度。本节将详细讲解冷端补偿电路与仪表放大器放大电路的设计要点。
📐 冷端补偿原理示意
▲ 热电偶输出为热端与冷端电势之差，冷端补偿电路用于抵消冷端温度变化带来的误差。
3.1 冷端补偿电路设计
冷端补偿的核心是测量冷端（参考端）的实际温度，并产生一个等效的补偿电压，叠加到热电偶回路中。常用方案有两种：
| 方案 | 元件 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 热敏电阻法 | NTC/PTC 热敏电阻 | 成本低，电路简单 | 非线性，需查表或拟合 |
| IC传感器法 | LM35 / DS18B20 / AD590 | 线性度好，精度高 | 成本略高，需额外供电 |
3.1.1 基于热敏电阻的冷端补偿电路
典型电路采用 NTC 热敏电阻与固定电阻组成分压网络，将温度变化转换为电压变化，再通过运放调理后叠加到热电偶回路。
🔧 NTC 热敏电阻冷端补偿电路
▲ NTC 阻值随温度变化，分压后经运放放大输出补偿电压。需根据热电偶类型调整增益。
3.1.2 基于 IC 温度传感器的冷端补偿
以 AD590（电流输出型）或 LM35（电压输出型）为例，直接输出与温度成比例的电压/电流信号，电路更简洁，精度更高。
// 典型 LM35 冷端补偿电路参数 // LM35 输出: 10mV/℃ // 冷端温度 25℃ → 输出 250mV // 经同相放大器放大至与热电偶灵敏度匹配 // 例如 K型热电偶: 41μV/℃ // 若冷端变化 1℃，需补偿 41μV // 则 LM35 信号需衰减: 10mV / 41μV ≈ 244 倍 // 实际采用电阻分压 + 运放跟随器实现
3.2 放大电路：仪表放大器设计
热电偶信号极其微弱（μV级），必须使用高共模抑制比、低噪声、高输入阻抗的仪表放大器（如 AD620、INA128、AD8221 等）。
- 增益设置：通过外部电阻 RG 设定增益，典型公式 G = 1 + 49.4kΩ / RG（AD620）。
- 共模抑制：仪表放大器 CMRR 通常 > 100dB，有效抑制共模噪声。
- 输入偏置：需提供输入偏置电流回路，通常在输入端对地接高阻值电阻（1MΩ~10MΩ）。
- 滤波：在仪表放大器输出端加低通滤波器（截止频率 10Hz~100Hz），抑制工频干扰。
⚡ 仪表放大器 AD620 典型电路
▲ 仪表放大器通过单个电阻 RG 精确设定增益，差分输入结构有效抑制共模干扰。
3.3 完整信号调理链路
将冷端补偿与仪表放大器级联，构成完整的热电偶信号调理电路：
- 热电偶：输出差分电压 VTC（μV级）。
- 冷端补偿：使用 NTC 或 IC 传感器产生补偿电压 Vcomp，串联叠加到热电偶回路。
- 仪表放大器：将 (VTC + Vcomp) 放大至 ADC 可采集的电压范围（如 0~5V）。
- 低通滤波：二阶有源低通滤波器，截止频率 10Hz，滤除噪声。
- ADC 采集：送入微控制器进行数字校准与温度计算。
🔗 信号调理完整链路
▲ 从热电偶到 ADC 的完整信号链路，每级电路需精心设计以保证精度与抗干扰能力。
3.4 设计注意事项
| 项目 | 要求 | 说明 |
|---|---|---|
| 输入偏置电流 | 提供直流通路 | 仪表放大器输入端对地接 1MΩ~10MΩ 电阻 |
| 电源去耦 | 0.1μF + 10μF | 每个电源引脚旁放置去耦电容 |
| PCB布局 | 差分走线 | 热电偶输入线尽量等长、平行，远离数字信号 |
| 温度校准 | 两点校准 | 使用冰点 (0℃) 和沸点 (100℃) 进行系统校准 |