设计说明

该设计指南介绍了使用 ADS1118 并采用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。此电路可用于 PLC 模拟输入模块、实验室和现场仪表 以及工厂自动化和控制 等应用。有关使用精密 ADC 和热电偶的更多信息，请参阅热电偶测量基本指南。

设计说明

1. 为电源使用电源去耦电容器。必须使用连接到 GND 的至少为 0.1μF 的电容器对 VDD 进行去耦。有关电源建议的详细信息，请参阅具有内部基准和温度传感器的 ADS1118 超小型低功耗 SPI™ 兼容型 16 位模数转换器。
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。由于尺寸的原因，这可能并不总是实用，X7R 电容器是下一个最佳选择。
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。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 网站上找到。此外，使用模拟工程师计算器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。

   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有限部分。将热电偶范围与全范围进行比较，可以计算出可用 ADC 范围的百分比：

   % of usable ADC range = [55mV–(–6.5mV)]/[0.256mV–(–0.256mV)] • 100% = 12.0%
   Number of ADC codes in measurement range = 0.12 × 2¹⁶ = 7864

   在 −270°C 至 1370°C 的热电偶范围内，7864 代码用于表示 1640°C 温度范围。这相当于每个 ADC 代码大约 0.21°C，对于大多数热电偶应用来说应该足够了。

   在其他精密 ADC 中，PGA 的实现方式类似于仪表放大器。如果使用不同的 ADC，则应根据最大热电偶输出电压计算允许的最大增益（不超出 PGA 范围）。然后，确认热电偶偏置接近 1/2 Vs，以便输入信号处于 PGA 的共模输入范围内。

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 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 1/2 Vs（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 报告的读数为 7FFFh，表示存在烧毁情况。

4. 为ADC 输入和基准输入选择差分和共模滤波值。

   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 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：

   f_{IN_DIFF} = 1 ÷ [2 × π × C_DIFF × (2 × R_DIFF)]
   f_{IN_CM} = 1 ÷ (2 × π × C_CM × R_DIFF)

   对于 ADC 输入滤波，R_IN = 500Ω，C_{IN_DIFF} = 1µF，C_{IN_CM} = 0.1µF。这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 (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 网站上找到。

   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 范围内具有典型的 0.2°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。

   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。

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）：

测量值 2（热电偶 2）：

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）：

输出代码 3 是 ADC 的两个字节输出数据的前 14 位。有关 ADS1118 和内部温度传感器的更多信息，请参阅具有内部基准和温度传感器的 ADS1118 超小型低功耗 SPI™ 兼容型 16 位模数转换器。

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配置寄存器回读一起以 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。

 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 }
            

设计中采用的器件

其他资源

• 德州仪器 (TI)，ADS1118 评估模块，产品概述
• 德州仪器 (TI)，ADS1118EVM 用户指南和软件教程，用户指南
• 德州仪器 (TI)，热电偶测量基本指南，应用手册
• 德州仪器 (TI)，模拟工程师计算器，工具概述
• 德州仪器 (TI)，具有小于 1°C 精度的简单热电偶测量参考设计，产品概述