采用ADS1118和兩個熱電偶的溫度測量電路設(shè)計

設(shè)計說明

本指導(dǎo)手冊的設(shè)計介紹采用 ADS1118 和兩個熱電偶的溫度測量電路。該設(shè)計使用 ADS1118 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)進行熱電偶電壓測量，而使用板載溫度傳感器進行冷端補償 (CJC) 測量。ADC 的兩個通道用于兩個K 型熱電偶，溫度測量范圍為 –270°C 至 1370°C。該設(shè)計包含用于配置器件的 ADC 寄存器設(shè)置以及用于配置和讀取器件的偽代碼。該電路可用于適用于PLC 的模擬輸入模塊、實驗室儀表和工廠自動化等應(yīng)用。

設(shè)計說明

1. 為電源使用電源去耦電容器。必須使至少為 0.1μF 的電容器對 VDD 進行去耦。

2. 如果可能，使用 C0G (NPO) 陶瓷電容器進行輸入濾波。這些電容器中使用的電介質(zhì)可在電壓、頻率和溫度變化時提供最穩(wěn)定的電氣特性。X7R 電容也是不錯的選擇。

3. 需要冷端補償才能準(zhǔn)確測量熱電偶溫度。

4. 選擇 K 型熱電偶是因為它具有較大的輸入范圍和熱電偶電壓。

5. 用于根據(jù)熱電電壓確定熱電偶溫度的轉(zhuǎn)換表和多項式方程可在?NIST網(wǎng)站上找到。

組件選擇

1. 確定熱電偶的工作范圍。

如果溫度測量范圍是?270°C 至 1370°C，那么 K 型熱電偶具有大約 ?6.5mV 至 +55mV 的范圍。該范圍用于最大化測量的分辨率（考慮 ADC 的滿量程范圍）。

2. 確定 ADC 的增益和輸入范圍。

在 ADS1118 中，可編程增益放大器 (PGA) 通過縮放電容采樣實現(xiàn)，而不是作為真正的放大器。采用這種 PGA，輸入范圍可擴展到全電源電壓范圍，但放大率更低，輸入阻抗也更低。在該器件中，最大放大率提供 ±0.256V 的滿量程范圍。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱電偶的 ?6.5mV 至 +55mV 范圍。雖然不可能超出PGA 范圍，但測量可以使用滿量程范圍的部分。

3. 設(shè)置電阻器偏置以建立輸入直流電平和燒毀檢測。

同等偏置電阻器從熱電偶的任一端連接到 GND 和 VDD。在正常運行中，電阻器將熱電偶的直流偏置點設(shè)置為接近中間電源。如果熱電偶燒毀并變成開路，則電阻器會將熱電偶引線拉開到任一電源。這些電阻器設(shè)置為為 500kΩ 至 10MΩ，以便減少流經(jīng)熱電偶的偏置電流。與熱電偶引線電阻發(fā)生反應(yīng)的電阻器偏置電流會導(dǎo)致測量誤差。但是，電阻器也必須足夠低，以便提供足夠的偏置電流，從而 克服來自電阻器的任何輸入電流。 在該設(shè)計中，偏置電阻器選擇為 1MΩ。該值會將電阻器偏置電流設(shè)置為低至 1.65μA。但是，對于燒壞的熱電偶，1MΩ 可提供足夠的電流將ADC輸入與ADS1118 的 710kΩ 等效輸入阻抗分開。

對于良好的熱電偶，熱電偶電壓的范圍為 –6.5mV至55mV。VDD電源的其余3.3V在偏置電阻器之間均勻下降。使用 1MΩ 偏置電阻器時，熱電偶電壓的直流工作點接近中間電源（即1.65V）。對于燒壞的熱電偶，開路會形成一個分壓器，由兩個1MΩ 電阻圍繞 710kΩ 等效輸入阻抗。采用燒毀熱電偶時的ADC輸入電壓可以計算為： ADC input voltage = 3.3V ? [710kΩ/(1MΩ + 710kΩ + 1MΩ)] = 0.85V 如果熱電偶燒毀，ADC 輸入電壓為 0.86V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 ADC 的正滿量程讀數(shù)。ADC 的讀數(shù)為 7FFFh，表示存在燒毀情況。

4. 選擇 ADC 輸入和基準(zhǔn)輸入的差分和共模濾波值。

如果存在輸入濾波，則輸入電流會對任何串聯(lián)濾波器電阻做出反應(yīng)，從而產(chǎn)生誤差。對于ADS1118，輸入電流建模為等效差分輸入阻抗。如前所述，等效差分輸入阻抗通常為710kΩ。因此，輸入串聯(lián)電阻保 持較低值，或增加的電壓表現(xiàn)為增益誤差。 此設(shè)計包含差分和共模輸入RC濾波。差分輸入濾波的帶寬設(shè)置為至少是 ADC 的數(shù)據(jù)速率的 10 倍。將 共模電容器選擇為差分電容器值的 1/10。由于電容器選擇，共模輸入濾波帶寬大約是差分輸入濾波帶寬 的 20 倍。 在進行輸入濾波的情況下，差分信號以低于共模信號的頻率衰減，后者會被器件的 PGA 顯著抑制。共模電容器的失配會導(dǎo)致非對稱噪聲衰減，這會表現(xiàn)為差分輸入噪聲。差分信號的帶寬較低，從而可以降低 輸入共模電容器失配的影響。ADC 輸入和基準(zhǔn)輸入的輸入濾波是針對相同的帶寬進行設(shè)計的。 在該設(shè)計中，數(shù)據(jù)速率選擇為 8SPS。對于 ADC 輸入濾波，可以通過以下公式近似計算差分濾波和共模濾波的帶寬頻率： fIN_DIFF = 1/[2 ? π ? CDIFF ? (2 ? RDIFF)] fIN_CM = 1/(2 ? π ? CCM ? RDIFF) 對于 ADC 輸入濾波，RIN = 500Ω，CIN_DIFF = 1μF，CIN_CM = 0.1μF。這會將差分濾波器帶寬設(shè)置為 160Hz，將共模濾波器帶寬設(shè)置為3.2kHz。

5. 使用冷端補償根據(jù)冷端溫度計算實際熱電偶電壓。

要從熱電偶獲得精確測量結(jié)果，必須執(zhí)行冷端補償以獲得準(zhǔn)確的溫度測量值。必須精確測量熱電偶引線所在的冷端。不能簡單地將冷端的溫度與從熱電偶電壓計算的溫度相加。要準(zhǔn)確確定熱電偶溫度，正確的方法是：

1. 將冷端溫度 (TCJ) 轉(zhuǎn)換為電壓 (VCJ)

2. 將冷端電壓與測量到的熱電偶電壓相加 (VCJ + VTC)

3. 將冷端電壓與熱電偶電壓之和轉(zhuǎn)換為熱電偶溫度 (TTC)

以下流程圖顯示了根據(jù) ADC 測量值確定熱電偶實際溫度的轉(zhuǎn)換方法。

用于根據(jù)熱電電壓確定熱電偶溫度的轉(zhuǎn)換表和多項式方程可在?NIST網(wǎng)站。

由于 ADS1118 具有精確的內(nèi)部溫度傳感器，因此可用于測量。內(nèi)部溫度傳感器在 0°C 至 70°C 溫度范圍內(nèi)的典型精度為 0.2°C。這種精度非常適合冷端測量。但是，該器件需要與熱電偶冷端的連接點之間有良好的熱接觸。冷端測量中的任何誤差都會導(dǎo)致溫度測量結(jié)果誤差。

測量轉(zhuǎn)換

根據(jù) ADC 的滿量程范圍設(shè)置，熱電偶電壓的轉(zhuǎn)換相對簡單。

該設(shè)計使用最小的滿量程范圍 (±0.256V)。

測量值 1（熱電偶 1）： = [215 ? (VAIN0 – VAIN1)/(0.256V)]

Thermocouple 1 Voltage = VAIN0 – VAIN1 = [(Output Code 1) ? 0.256V/215]

測量值 2（熱電偶 2）：= [215 ? (VAIN2 – VAIN3)/(0.256V)]

Thermocouple 2 Voltage = VAIN2 – VAIN3 = [(Output Code 2) ? 0.256V/215]

內(nèi)部溫度傳感器的轉(zhuǎn)換需要進行一些數(shù)據(jù)操作。來自 ADC 的溫度數(shù)據(jù)表示為 14 位結(jié)果，在16位轉(zhuǎn)換結(jié)果中進行左對齊。數(shù)據(jù)從最高有效字節(jié) (MSB) 開始輸出。當(dāng)讀取這兩個數(shù)據(jù)字節(jié)，前14位用來指定溫度測量結(jié)果。一個 14 位LSB 等于 0.03125°C，負(fù)數(shù)用二進制補碼格式表示。

測量值 3（內(nèi)部溫度傳感器）：= [(Temperature)/(0.03125°C)]

Temperature = [(Output Code 3) ? (0.03125°C)]

輸出代碼 3 是 ADC 的兩個字節(jié)輸出數(shù)據(jù)的前 14 位。

寄存器設(shè)置

偽代碼示例

下面顯示了偽代碼序列以及設(shè)置器件和微控制器所需的步驟，該微控制器與 ADC 相連，以便在單沖轉(zhuǎn)換模 式下從 ADS1118 獲取后續(xù)讀數(shù)。 數(shù)據(jù)回讀和器件配置隨 Config 寄存器回讀一起以 32 位傳輸周期完成。ADS1118 配置為測量熱電偶電壓， 滿量程范圍為 ±256mV，數(shù)據(jù)速率為 8SPS。器件循環(huán)讀取熱電偶 1 的電壓、熱電偶 2 的電壓以及 ADS1118 內(nèi)部溫度傳感器。在獲取所有三個讀數(shù)后，需要使用冷端補償將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為熱電偶溫度。

?

Configure microcontroller for SPI mode 1 (CPOL = 0, CPHA = 1)
Set CS low; // Start conversions
Send 8D0B8D0B; //Start conversion for thermocouple 1
// Use 32-bit data transmission cycle with Config register readback
// The first iteration of the loop has no data readback
Set CS high;
Loop
{
  Wait 69ms // Wait for typical data period +10% for internal oscillator variation
  Set CS low;
  Send BD0BBD0B; // Read data for thermocouple 1, start conversion for thermocouple 2,
  Set CS high;
  Wait 69ms;
  Set CS low;
  Send 8D1B8D1B; // Read data for thermocouple 2, start conversion for temperature sensor,
  Set CS high;
  Wait 69ms;
  Set CS low;
  Send 8D0B8D0B // Read data temperature sensor, Start conversion for thermocouple 1
  Set CS high;
  // Cold-junction compensation to determine thermocouple temperature
  Convert thermocouple 1 ADC data to voltage;
  Convert thermocouple 2 ADC data to voltage;
  Convert temperature sensor data to temperature;
  Convert temperature sensor data to thermoelectric voltage; // By lookup table or calculation
  Add thermocouple 1 voltage to temperature thermoelectric voltage;
  Convert resulting voltage for thermocouple 1 to temperature; // By lookup table or calculation
  Add thermocouple 2 voltage to temperature thermoelectric voltage;
  Convert resulting voltage for thermocouple 2 to temperature; // By lookup table or calculation
}

?

　　審核編輯：湯梓紅