具有内部温度传感器CJC的双通道K型热电偶测量电路设计

　　设计说明
　　本指导手册的设计介绍采用 ADS1118 和两个热电偶的温度测量电路。该设计使用 ADS1118 内部电压基准进行热电偶电压测量，而使用板载温度传感器进行冷端补偿 （CJC） 测量。ADC 的两个通道用于两个K 型热电偶，温度测量范围为 –270°C 至 1370°C。该设计包含用于配置器件的 ADC 寄存器设置以及用于配置和读取器件的伪代码。该电路可用于适用于PLC 的模拟输入模块、实验室仪表和工厂自动化等应用。
　　设计说明
　　1. 为电源使用电源去耦电容器。必须使至少为 0.1μF 的电容器对 VDD 进行去耦。
　　2. 如果可能，使用 C0G （NPO） 陶瓷电容器进行输入滤波。这些电容器中使用的电介质可在电压、频率和温度变化时提供最稳定的电气特性。X7R 电容也是不错的选择。
　　3. 需要冷端补偿才能准确测量热电偶温度。
　　4. 选择 K 型热电偶是因为它具有较大的输入范围和热电偶电压。
　　5. 用于根据热电电压确定热电偶温度的转换表和多项式方程可在 NIST网站上找到。
　　组件选择
　　1. 确定热电偶的工作范围。
　　如果温度测量范围是−270°C 至 1370°C，那么 K 型热电偶具有大约 −6.5mV 至 +55mV 的范围。该范围用于最大化测量的分辨率（考虑 ADC 的满量程范围）。
　　2. 确定 ADC 的增益和输入范围。
　　在 ADS1118 中，可编程增益放大器 （PGA） 通过缩放电容采样实现，而不是作为真正的放大器。采用这种 PGA，输入范围可扩展到全电源电压范围，但放大率更低，输入阻抗也更低。在该器件中，最大放大率提供 ±0.256V 的满量程范围。这远远大于热电偶的 −6.5mV 至 +55mV 范围。虽然不可能超出PGA 范围，但测量可以使用满量程范围的部分。
　　3. 设置电阻器偏置以建立输入直流电平和烧毁检测。
　　同等偏置电阻器从热电偶的任一端连接到 GND 和 VDD。在正常运行中，电阻器将热电偶的直流偏置点设置为接近中间电源。如果热电偶烧毁并变成开路，则电阻器会将热电偶引线拉开到任一电源。这些电阻器设置为为 500kΩ 至 10MΩ，以便减少流经热电偶的偏置电流。与热电偶引线电阻发生反应的电阻器偏置电流会导致测量误差。但是，电阻器也必须足够低，以便提供足够的偏置电流，从而 克服来自电阻器的任何输入电流。 在该设计中，偏置电阻器选择为 1MΩ。该值会将电阻器偏置电流设置为低至 1.65μA。但是，对于烧坏的热电偶，1MΩ 可提供足够的电流将ADC输入与ADS1118 的 710kΩ 等效输入阻抗分开。
　　对于良好的热电偶，热电偶电压的范围为 –6.5mV至55mV。VDD电源的其余3.3V在偏置电阻器之间均匀下降。使用 1MΩ 偏置电阻器时，热电偶电压的直流工作点接近中间电源（即1.65V）。对于烧坏的热电偶，开路会形成一个分压器，由两个1MΩ 电阻围绕 710kΩ 等效输入阻抗。采用烧毁热电偶时的ADC输入电压可以计算为： ADC input voltage = 3.3V • ［710kΩ/（1MΩ + 710kΩ + 1MΩ）］ = 0.85V 如果热电偶烧毁，ADC 输入电压为 0.86V，远远大于 ADC 的正满量程读数。ADC 的读数为 7FFFh，表示存在烧毁情况。
　　4. 选择 ADC 输入和基准输入的差分和共模滤波值。
　　如果存在输入滤波，则输入电流会对任何串联滤波器电阻做出反应，从而产生误差。对于ADS1118，输入电流建模为等效差分输入阻抗。如前所述，等效差分输入阻抗通常为710kΩ。因此，输入串联电阻保 持较低值，或增加的电压表现为增益误差。 此设计包含差分和共模输入RC滤波。差分输入滤波的带宽设置为至少是 ADC 的数据速率的 10 倍。将 共模电容器选择为差分电容器值的 1/10。由于电容器选择，共模输入滤波带宽大约是差分输入滤波带宽 的 20 倍。 在进行输入滤波的情况下，差分信号以低于共模信号的频率衰减，后者会被器件的 PGA 显著抑制。共模电容器的失配会导致非对称噪声衰减，这会表现为差分输入噪声。差分信号的带宽较低，从而可以降低 输入共模电容器失配的影响。ADC 输入和基准输入的输入滤波是针对相同的带宽进行设计的。 在该设计中，数据速率选择为 8SPS。对于 ADC 输入滤波，可以通过以下公式近似计算差分滤波和共模滤波的带宽频率： fIN_DIFF = 1/［2 • π • CDIFF • （2 • RDIFF）］ fIN_CM = 1/（2 • π • CCM • RDIFF） 对于 ADC 输入滤波，RIN = 500Ω，CIN_DIFF = 1µF，CIN_CM = 0.1µF。这会将差分滤波器带宽设置为 160Hz，将共模滤波器带宽设置为3.2kHz。
　　5. 使用冷端补偿根据冷端温度计算实际热电偶电压。
　　要从热电偶获得精确测量结果，必须执行冷端补偿以获得准确的温度测量值。必须精确测量热电偶引线所在的冷端。不能简单地将冷端的温度与从热电偶电压计算的温度相加。要准确确定热电偶温度，正确的方法是：
　　1. 将冷端温度 （TCJ） 转换为电压 （VCJ）
　　2. 将冷端电压与测量到的热电偶电压相加 （VCJ + VTC）
　　3. 将冷端电压与热电偶电压之和转换为热电偶温度 （TTC）以下流程图显示了根据 ADC 测量值确定热电偶实际温度的转换方法。
　　用于根据热电电压确定热电偶温度的转换表和多项式方程可在 NIST网站。
　　由于 ADS1118 具有精确的内部温度传感器，因此可用于测量。内部温度传感器在 0°C 至 70°C 温度范围内的典型精度为 0.2°C。这种精度非常适合冷端测量。但是，该器件需要与热电偶冷端的连接点之间有良好的热接触。冷端测量中的任何误差都会导致温度测量结果误差。
　　测量转换
　　根据 ADC 的满量程范围设置，热电偶电压的转换相对简单。
　　该设计使用最小的满量程范围 （±0.256V）。
　　测量值 1（热电偶 1）： = ［215 • （VAIN0 – VAIN1）/（0.256V）］
　　Thermocouple 1 Voltage = VAIN0 – VAIN1 = ［（Output Code 1） • 0.256V/215］
　　测量值 2（热电偶 2）：= ［215 • （VAIN2 – VAIN3）/（0.256V）］
　　Thermocouple 2 Voltage = VAIN2 – VAIN3 = ［（Output Code 2） • 0.256V/215］
　　内部温度传感器的转换需要进行一些数据操作。来自 ADC 的温度数据表示为 14 位结果，在16位转换结果中进行左对齐。数据从最高有效字节 （MSB） 开始输出。当读取这两个数据字节，前14位用来指定温度测量结果。一个 14 位LSB 等于 0.03125°C，负数用二进制补码格式表示。
　　测量值 3（内部温度传感器）：= ［（Temperature）/（0.03125°C）］
　　Temperature = ［（Output Code 3） • （0.03125°C）］
　　输出代码 3 是 ADC 的两个字节输出数据的前 14 位。
　　寄存器设置
　　伪代码示例
　　下面显示了伪代码序列以及设置器件和微控制器所需的步骤，该微控制器与 ADC 相连，以便在单冲转换模 式下从 ADS1118 获取后续读数。 数据回读和器件配置随 Config 寄存器回读一起以 32 位传输周期完成。ADS1118 配置为测量热电偶电压， 满量程范围为 ±256mV，数据速率为 8SPS。器件循环读取热电偶 1 的电压、热电偶 2 的电压以及 ADS1118 内部温度传感器。在获取所有三个读数后，需要使用冷端补偿将热电偶电压转换为热电偶温度。

原作者：ErinJin 大概学学

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