设计说明

该设计指南介绍了如何使用 ADS1120 实现单个热电偶的温度测量。随后，使用 ADS1120 器件单独测量用于冷端补偿 (CJC) 的热电偶冷端的温度。此设计的计算针对温度测量范围为 –270°C 至 1370°C 的单个 K 型热电偶进行。此电路可用于 PLC 的模拟输入模块、实验室仪表 和工厂自动化 等应用。更多有关使用各种 RTD 接线配置进行精确 ADC 测量的信息，请参阅热电偶测量基本指南。

设计注意事项

1. 模拟和数字电源均使用电源去耦电容。必须使用连接到 GND 且至少为 0.1μF 的电容器对 AVDD 和 DVDD 进行去耦。有关电源建议的详细信息，请参阅 ADS1120 具有集成 PGA 和基准的 4 通道、2kSPS、低功耗 16 位 ADC 数据表。
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在电压、频率和温度变化时提供最稳定的电气性能。由于尺寸原因，X7R 电容器是次优选择。
3. 需要冷端补偿才能准确测量热电偶温度。
4. K 型热电偶具有大输入范围和热电偶电压。其他热电偶具有不同的灵敏度和误差容限。有关使用其他热电偶进行测量及其使用指南，请参阅热电偶测量基本指南。
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 温标数据库中找到。此外，使用模拟工程师计算器可确定一些热电偶转换。

元件选型

1. 确定热电偶的工作范围。

   如果温度测量范围为 −270°C 至 1370°C，则 K 型热电偶的范围大约为 −6.5mV 至 +55mV。该范围用于在考虑 ADC 满标量程的情况下更大限度地提高测量的分辨率。

2. 确定 ADC 的增益和输入范围。

   根据最大热电偶输出电压和基准电压，计算可编程增益放大器 (PGA) 在不超出范围的情况下允许的最大增益。然后，确保热电偶偏置接近 1/2 Vs，以便输入信号处于 PGA 的共模输入范围内。

   对于 ADS1120 器件，PGA 可以将输入信号按 2 的倍数放大，增益范围从 1 到 128。在输入范围为 -6.5mV 至 +55mV 的情况下，使用最大增益 32，可以在不超出 PGA 范围的情况下，利用内部基准电压 2.048V。

   % of usable ADC range = 32 × [55mV – (–6.5mV)] ÷ [2.048V – (–2.048V)] × 100% = 48.0%
   Number of ADC codes in measurement range = 0.48 × 2¹⁶ = 31488

   在 −270°C 至 1370°C 的热电偶温度范围内，31488 代码用于表示 1640°C 范围。这相当于每个 ADC 代码的约 0.052°C。

3. 设置电阻器偏置以确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 AVSS 和 AVDD。在正常运行中，电阻器将热电偶的直流偏置点设置为接近 1/2 Vs。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。这些电阻器设置为高位（通常为 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。该值将电阻偏置电流设置为低至 1.65μA（假设这些电阻在 3.3V 电源的中心对热电偶进行偏置）。但是，在热电偶烧毁的情况下，1MΩ 提供的电流远足以将 ADC 输入与 ADC 的任何输入电流分开。

   

   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 1/2 Vs（即 1.65V）。

   在热电偶烧毁的情况下，1MΩ 的偏置电阻会克服输入电流，使输入电压分开，从而使 ADC 读取到满标量程输入读数。根据典型特性曲线，绝对输入电流为 250nA，具体取决于温度、输入电压和输入通道。假设每个输入均具有此输入电流，那么该输入电流会在两个偏置电阻上产生相同的电压降：

   ADC input voltage = 3.3V – (1MΩ × 250nA) – (1MΩ × 250nA) = 2.8V

   如果热电偶烧毁，ADC 输入电压为 2.8V，远远大于 ADC 的正满量程读数。ADC 报告的读数为 7FFFh，表示存在烧毁情况。请注意，这假设了最大输入电流。在工作温度较低或使用不同的输入时，ADC 输入可以更大。

4. 选择 ADC 输入和基准输入的差分和共模输入滤波值。

   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。因此，输入串联电阻保持较低值，以便减少任何可能的误差。

   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比 ADC 的数据速率高 10 倍。共模电容器选择为差分电容器值的 1/10。由于电容器的选择，共模输入滤波的带宽比差分输入滤波带宽大约高 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，共模信号会被器件的 PGA 显著抑制。共模电容器的失配会导致非对称噪声衰减，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 20SPS。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：

   f_{IN_DIFF} = 1 ÷ (2 × π × C_{IN_DIFF} × 2 × R_IN)
   f_{IN_CM} = 1 ÷ (2 × π × C_{IN_CM} × R_IN)

   对于 ADC 输入滤波，R_IN = 800Ω，C_{IN_DIFF} = 0.47µF，C_{IN_CM} = 0.047µF。这将差分滤波器带宽设置为 330Hz，将共模滤波器带宽设置为 4.2kHz。

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 (T_CJ) 转换为电压 (V_CJ)
   2. 将冷端电压与测量到的热电偶电压相加 (V_CJ + V_TC)
   3. 将冷端电压与热电偶电压之和转换为热电偶温度 (T_TC)

   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（网址为 http://srdata.nist.gov/its90/menu/menu.html）上找到。

   由于 ADS1120 器件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 75°C 范围内具有典型的 0.25°C 精度。此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。请注意，ADS1120 器件未指定温度传感器的最大误差。

   有关热电偶和冷端补偿测量的更多信息，请参阅热电偶测量基本指南。

6. 可以通过其他方法进行冷端补偿。

   因为 ADS1120 器件具有额外的模拟输入通道、内部电压基准和外部基准输入，所以使用其他冷端测量方法。

   例如，当热电偶使用 AIN0 和 AIN1 时，使用 AIN2 和 AIN3 来测量 RTD。这将需要一个基准电阻器并连接到外部基准输入。ADS1120 器件具有电流 IDAC 源，可用于激励 RTD 和基准电阻。或者，也可以使用 AIN2 和 AIN3 来测量其他温度传感器，例如 LMT70。LMT70 精密模拟温度传感器根据器件的环境温度输出电压。

   有关 RTD 的详细信息，请参阅 RTD 测量基本指南。有关 LMT70 的详细信息，请参阅 LMT70、LMT70A ±0.05°C 精密模拟温度传感器、RTD 和精密 NTC 热敏电阻 IC 数据表。

7. 提供了额外的输入通道和其他 ADS1120 功能以用于其他测量。

   电路原理图是在未使用 AIN2 和 AIN3 的情况下绘制，可用于其他测量。

   如果器件不能置于冷端温度，则必须进行其他冷端测量。如上一节所述，如果不使用内部温度传感器，则 AIN2 和 AIN3 可以与外部基准结合使用来进行 RTD 测量。在 ADS1120 器件中启用 IDAC 电流源以激励 RTD 和基准电阻。然而，在本设计中，当启用内部温度传感器并禁用 IDAC 时，会设置配置寄存器和伪代码。

   此外，AIN3 在内部连接到低侧电源开关 (PSW)。在电阻式电桥应用中使用低侧 PSW，以便在不使用电桥时断开电桥，从而降低电流消耗。对于该电路，在本设计中未使用 PSW 并已禁用。

   ADS1120 器件有一组烧毁电流源 (BCS)，可用于在热电偶烧毁时启用 ADC 输入端的电流源，以便分开输入电压。在此设计中，偏置电阻具有相同的功能且禁用 BCS。但如果热电偶是通过电压偏置，而没有使用偏置电阻，则烧毁检测会需要 BCS。

   ADS1120 器件使用有限脉冲响应数字滤波器，该滤波器可针对不同的数据速率和不同的频率响应进行配置。当数据速率为 5SPS 和 20SPS 时，滤波器可配置为抑制 50Hz 或 60Hz 线路频率或同时抑制这两个频率。配置寄存器的两个位 (50/60[1:0]) 用于对滤波器进行相应配置。在 20SPS 时，所示为数字滤波器的频率响应。此设计中启用了 50/60[1:0] 位。

   有关 ADS1120 器件中功能的更多信息，请参阅 ADS1120 具有集成 PGA 和基准的 4 通道、2kSPS、低功耗 16 位 ADC 数据表。

同时抑制 50Hz 和 60Hz，50/60[1:0] = 01 滤波器响应 (DR = 20SPS)

同时抑制 50Hz 和 60Hz，50/60[1:0] = 01 滤波器响应详细视图 (DR = 20SPS)

测量转换

根据 ADC 的满标量程范围设置，热电偶电压的转换相对简单。

测量值 1（热电偶）：

如果使用内部温度传感器，则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 2（内部温度传感器）：

OutputCode2 是 ADC 的两个字节输出数据的前 14 位。

寄存器设置

测量值 1（热电偶）：

测量值 2（内部温度传感器）：

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 ADS1120 获取后续读数：

Configure microcontroller for SPI mode 1 (CPOL = 0, CPHA = 1)
Set CS low;
Send 43h; //WREG starting at register 00h, four bytes
0Ah 00h 10h 00h; // Register 0: AINP=AIN0, AINN=AIN1, PGA=32, PGA enabled 
// Register 1: DR=20SPS, Normal mode, Single shot conversion, Temp sensor and BCS disabled
// Register 2: Internal 2.048V ref, 50Hz/60Hz rejection enabled, PSW and IDACs disabled
// Register 3: IDAC disabled, Only /DRDY pin indicates when data are ready
Set CS high;
Loop
{
Set CS low;
Send 44h; //WREG starting at register 01h, one byte
00h; // Register 1: Data Rate=20SPS, Normal mode, Single shot conversion,
// Temp sensor and BCS disabled
Set CS high;
Set CS low;
Send 08h; // Send START/SYNC command to start conversion
Set CS high;
Wait 51 ms for /DRDY to go low; // At 20SPS data rate, nominally 50ms ±2% accuracy
Set CS low;
Send 10h; // RDATA command to read data for thermocouple
 00h 00h; // Clock out 16 bits of data
Set CS high;
Set CS low;
Send 44h; //WREG starting at register 01h, one byte
02h; // Register 1: Enable temperature sensor
Set CS high;
Set CS low;
Send 08h; // Send START/SYNC command to start conversion
Set CS high;
Wait 51ms for /DRDY to go low; // At 20SPS data rate, nominally 50ms ±2% accuracy
Set CS low;
Send 10h; // RDATA command to read data for thermocouple
 00h 00h; // Clock out 16 bits of data
Set CS high;
Convert thermocouple ADC data to voltage; // Cold junction compensation to determine
// thermocouple temperature
Convert ADC temp sensor data to temperature;
Convert ADC temp sensor data to thermoelectric voltage; // By lookup table or calculation
Add thermocouple voltage to temperature thermoelectric voltage;
Convert resulting voltage for thermocouple to temperature; // By lookup table or calculation
}

设计中采用的器件

其他资源

• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，ADS1120 评估模块软件工具
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，ADS1x20EVM 用户指南
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，ADS1x20 示例代码，SBAC227 工具
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，热电偶测量基本指南 应用手册
• 米6体育平台手机版_好二三四 (TI)，RTD 测量基本指南 应用手册