【技術(shù)分享】無源濾波設計分享，揭開測溫濾波電路的神秘面紗

在使用熱電偶測溫模塊或設計熱電偶測溫電路中，每個采集通道往往需要一階甚至多階的無源濾波電路，關(guān)于熱電偶測溫無源濾波電路的設計需要考慮什么因素呢？

??熱電偶測溫原理簡述

兩種不同材料的導體A、B與采樣電路串接成一個閉合回路，當熱端1和冷端2處于不同的溫度T、T0時，回路中就會產(chǎn)生熱電動勢EAB（T，T0）被ADC采集到。當熱端和冷端的溫度差發(fā)生變化時熱電動勢EAB（T，T0）隨之變化，用戶可根據(jù)采集到的電壓值查找熱電偶溫度對照表得出熱端T與冷端T0的溫度差值，進而得到熱端溫度值。

圖1 熱電偶測溫電路簡圖

? 輸入信號調(diào)理

在熱電偶測溫電路設計中，信號的調(diào)理是非常關(guān)鍵的。由于混疊效應，一般ADC采集電路前端都需要某些頻段的濾波來減少輸入噪聲，以使模塊具備更高的測溫精度。

作為一個示例，考慮設計一個截止頻率小于工頻50Hz的低通濾波器電路，另外考慮到采樣電壓的建立時間，串聯(lián)電阻值與濾波電容值不能太大，一般設定串聯(lián)電阻值不高于500Ω。根據(jù)一般經(jīng)驗差模電容值比共模電容值大10倍，設計出如圖2所示一階低通濾波電路，其截止頻率f=1/[2π(R3+R4)(C3+C2/2)]。根據(jù)該電路圖3的波特圖仿真結(jié)果可知其截止頻率約為48.85Hz。

圖2?一階低通濾波電路圖

圖3?一階低通濾波電路波特圖

根據(jù)工程設計經(jīng)驗，考慮到阻容在環(huán)境溫度下的阻容值會發(fā)生變化及電容的壓電效應等環(huán)境或器件因素影響，另外考慮到設計余量我們一般會將截止頻率設計的盡可能低一些。例如可能將截止頻率設計在25Hz左右，此時C3的容值可能接近8uF?？紤]到大容值電容的成本以及一階濾波的滾降不夠理想，因此我們采用二階濾波的方式進行改善。

我們可以在圖2的電路基礎上再增加一階電路改為無源二階低通濾波器如圖4所示，根據(jù)該電路圖5中的波特圖仿真結(jié)果，可知該電路截止頻率的仿真值為24.56Hz。

圖4?二階低通濾波電路圖

圖5 二階低通濾波電路波特圖

??總結(jié)一下熱電偶測溫低通濾波電路設計的截止頻率越低，對高頻噪聲的抑制能力越強，但是截止頻率越低阻容值要求越大采樣電壓建立時間越長。截止頻率設置過高，對工頻或其它頻段干擾的衰減不夠理想會對測溫精度產(chǎn)生影響。因此熱電偶測溫低通濾波電路截止頻率設計的過高或過低對測試結(jié)果均會產(chǎn)生影響，根據(jù)經(jīng)驗值截止頻率可設計在30Hz~40Hz左右。

熱電偶測溫模塊ZAM6218A的推薦濾波電路采用二階濾波截止頻率約為40Hz，該產(chǎn)品具備優(yōu)異的采樣精度和測溫范圍，通過對采集數(shù)據(jù)進行處理后ZAM6218A通過IIC協(xié)議直接輸出熱端溫度數(shù)據(jù)，大大簡化了用戶的軟件和硬件設計，是熱電偶測溫的不二選擇。

圖6?ZAM6218A簡易說明圖