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作者：類比半導體 2024年8月21日 摘要 熱電偶（thermocouple）作為工業接觸式溫度測量的核心元件，以其直接的溫度測量能力及將溫度信號轉換為熱電動勢信號的特性，廣泛應用于各種工業測溫場合。這種轉換過程通過電氣儀表（二次儀表）實現，將熱電勢信號準確轉換為被測介質的溫度值。熱電偶以其結構的簡潔性、制造的便捷性、寬廣的測量范圍、高精度、小慣性，以及便于遠程傳輸的輸出信號等優勢，確立了其在工業測量中的重要地位。 盡管熱電偶具備上述優點，但其輸出的熱電勢信號相對較弱，通常最大不超過50mV，這為信號采集環節帶來了一定的挑戰。此外，為了確保測量的準確性，冷端補償是不可或缺的環節。針對這些挑戰，上海類比半導體技術有限公司（以下簡稱“類比半導體”或“類比”）推出的ADX112提供了一個高效且成本效益高的解決方案。ADX112具備卓越的噪聲性能，在數據率低于32sps時，能夠實現16位的NNOB，確保了測量結果的精確度。其內置的高性能PGA和電壓基準，為系統提供了高度的穩定性，PGA和內置電壓基準的溫漂僅為8ppm/°C。ADX112還集成了一個高精度的溫度傳感器，其在0°C至70°C的工作溫度范圍內，誤差控制在最大0.5°C以內，這一特性使得該傳感器非常適合用于熱電偶的冷端補償。 關鍵詞：熱電偶， ADC，ADX112，冷端補償，工業測量，工業自動化 一、 熱電偶檢測原理 1.1 熱電效應的科學基礎 熱電偶是一種精密的傳感器，它通過連接兩種不同金屬材料的一端來利用熱電效應測量溫度。熱電效應，主要包括塞貝克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應等，是由溫差引起的電效應或由電流引起的可逆熱效應，也稱為溫差電效應。 從電子論角度分析，金屬和半導體中的電流和熱流均與電子緊密相關。溫度差異引起的電子能級躍遷和熱量轉移構成了熱電效應的基礎。塞貝克效應，作為與熱電偶相關的效應，由德國科學家賽貝克在1821年發現：當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫度，會在導體中產生一個與溫差成正比的電動勢，公式表示為： V=a△T 其中，V為溫差電動勢，a為溫差電動勢率，△T 為兩接觸點間的溫差。 例如，鐵與銅的冷接頭為1℃，熱接頭處為100℃，則有5.2毫伏的溫差電動勢產生。 塞貝克效應的發現為溫差電偶的制造提供了理論依據，使得利用適當的金屬組合，可以測量從-180℃到+2000℃，甚至更高溫度范圍的溫度。 
在提供的示意圖中，A和B代表兩種不同的導體或半導體，定義為熱電極。接點1作為工作端或熱端，其溫度標記為t；接點2作為自由端或冷端，其溫度標記為t0。這兩點的溫差驅動了熱電偶產生的熱電勢。 熱電偶產生的熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢兩部分組成： 接觸電勢：不同材料的導體在接觸點因電子密度差異產生電子擴散，形成電位差。這個電位差與接觸點的材料屬性和溫度直接相關。 溫差電勢：同一導體兩端因溫度差異產生電動勢，這一現象與導體的物理性質和兩端的溫度有關，而與導體的尺寸、截面積或溫度分布無關。 熱電偶回路電動勢的計算公式為：
EAB(t,t0) = eAB(t) - eAB(t0) - ( eA(t,t0) - eB(t,t0) ) 當熱電偶的電極材料確定后，熱電動勢成為熱端和冷端溫度差的函數。工程技術中通常假定熱電勢主要由接觸電勢決定，并借助熱電偶分度表來確定被測介質的溫度。這種應用方法簡化了溫度測量過程，提高了測量的準確性和可靠性。 1.2 熱電偶基本定律的精準闡釋 1.2.1 均質導體定律 均質導體定律指出：當由相同均質材料構成的兩端焊接形成閉合回路時，不論導體的截面如何變化或溫度如何分布，接觸電勢均不會生成，溫差電勢相互抵消，使得回路中的總電勢恒為零。這一定律明確了熱電偶必須由兩種不同均質導體或半導體構成，確保了熱電偶的準確性。若材料不均勻，溫度梯度將導致額外的熱電勢產生。 證明過程：熱電偶的總電勢由接觸電勢和溫差電勢共同決定。在材料相同的情況下，接觸電勢為零；溫差電勢由于大小相等、方向相反，相互抵消。 實際應用：利用均質導體定律，我們可以驗證熱電極材料的一致性，即通過同名極檢驗法，同時檢查材料的均勻性，確保熱電偶的性能。 1.2.2 中間導體定律 中間導體定律闡明：在熱電偶回路中加入第三種導體，只要該導體的接觸點溫度一致，總熱電動勢將保持不變。 證明過程： EABC(t,t0) = eAB(t) + eBC(t0) + eCA(t0) 在t=t0的條件下，中間導體定律保證了eAB(t0) + eBC(t0) + eCA(t0) = 0，從而簡化為： EABC(t,t0) = eAB (t) - eAB (t0) = EAB (t,t0) 實際應用：在熱電偶的實際應用中，通常采用熱端焊接、冷端開路的方式，并通過連接導線與顯示儀表構成測溫系統。例如，使用銅導線連接熱電偶冷端至儀表，即使在連接處產生接觸電勢，也不會對測量結果造成附加誤差。 1.2.3 中間溫度定律 熱電偶回路兩接點（溫度為t，t0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為t、tn時的熱電勢與在溫度為tn、t0時的熱電勢的代數和。tn即中間溫度。 證明過程： EAB (t,tn) + EAB (tn, t0) = eAB (t) - eAB (tn) + eAB (tn) - eBC (t0) = eAB (t) - eAB (t0) = EAB (t, t0) 即，EAB (t, t0) = EAB (t, tn) + EAB (tn, t0) 實際應用：鑒于熱電偶的E-T關系通常呈現非線性，當中性溫度不為0℃時，不能直接利用實際熱電勢查表求取熱端溫度。中間溫度定律為在非標準條件下修正溫度測量提供了理論支持，并為補償導線的使用奠定了基礎。 1.2.4 標準電極定律（參考電極定律） 標準電極定律提供了一個簡化熱電偶熱電動勢測定的實用方法：已知兩種導體與第三種導體組成的熱電偶熱電動勢后，這兩種導體間組成的熱電偶的熱電動勢也得以確定。 實際應用：標準電極定律是一個極為實用的定律。面對眾多的純金屬和合金類型，直接測量每種組合的熱電動勢是一項龐大的工作。鉑因其物理化學性質穩定、高熔點、易提純等特性，常被選作標準電極。通過測定各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，可以間接獲得其他金屬組合的熱電動勢值，極大簡化了熱電偶的標定過程。 二、 基于ADX112的熱電偶檢測方案 2.1 ADX112Q簡介 類比半導體推出的ADX112Q是一款精密、低功耗、16 位模數轉換器 (ADC)，提供MSOP-10封裝和QFN-10封裝。 ADX112Q集成了可編程增益放大器(PGA)、電壓基準、 振蕩器和高精度溫度傳感器。這些特性以及2V至5.5V 的寬電源范圍使 ADX112Q非常適合功率受限和空間受限的傳感器測量應用。ADX112Q能以高達每秒860個樣本(SPS)的數據速率執行轉換。PGA提供從±256mV到±6.144V的輸入范圍，允許以高分辨率測量大信號和小信號。輸入多路復用器(MUX)允許測量兩個差分或四個單端輸入。高精度溫度傳感器可用于系統級溫度監測或熱電偶冷端補償。 ADX112Q可以在連續轉換模式下工作，也可以在轉換后自動關斷的單次模式下工作。單次模式能顯著降低空閑期間的電流消耗。數據通過串行外設接口(SPI™)傳輸。ADX112Q的額定溫度范圍為–40°C 至 125°C。 特性 • AEC-Q100 (僅限 ADX112Q) • 超小型 QFN 封裝：2mm × 1.5mm × 0.4mm • 小型 3mm × 3mm MSOP 封裝 • 寬電源范圍：2V 至 5.5V • 低電流消耗： 連續模式：僅 145μA 單次模式：自動關機 • 可編程數據速率：8SPS 至 860SPS • 單周期穩定 • 內部低漂移參考電壓 • 內部振蕩器 • SPI 兼容接口 • 內部 PGA • 四個單端或兩個差分輸入 • 工作溫度范圍：–40°C 至 125°C 2.2 電路設計 下圖是基于ADX112Q的雙通道K型熱電偶檢測電路，該方案用內部高精度溫度傳感器進行冷端補償。
與熱電偶檢測相關的外電路非常簡潔，只需要偏置電阻和抗混疊濾波電路。 偏置電阻(RPU和RPD)有兩個用途: 將輸入信號的直流偏置設置在VDD/2左右，提供穩定的共模輸入 檢測熱電偶導線是否開路 該電路中，熱電偶的兩端分別通過RPU和RPD連接至VDD和GND。偏置電阻取值范圍通常為500kΩ 至 10MΩ，取較大的阻值旨在減少流經熱電偶的偏置電流，避免因自加熱效應產生額外的電壓降，從而引入測量誤差。同時，電阻值也不宜過大，確保提供充足的偏置電流。本設計中，偏置電阻選用1MΩ，產生1.65uA的偏置電流。在正常運行時，這兩個電阻將熱電偶的直流偏置點設置為VDD/2左右，而熱電偶電壓的范圍為 -6.5mV至55mV；一旦熱電偶斷開，1MΩ的RPU和RPD和ADC輸入內阻形成分壓（FSR = ±0.256V時，ADX112的差分輸入阻抗為0.9MΩ），ADC的差分輸入信號將達到約1.024V，遠超正常電壓范圍，導致ADC的讀數達到7FFFh，從而輕易識別出開路故障狀態。 差模電容Cdiff需要至少為共模電容Ccm的10倍，這樣的設計使得共模濾波器的截止頻率大約是差分濾波器截止頻率的20倍。這一設計的原因在于，共模電容的不匹配（即容值有差異）可能導致2個通道的共模濾波截止頻率出現差異，從而使共模噪聲轉變為差模噪聲進入信號輸入端；上文提到，共模濾波器的截止頻率比差模濾波器的高20倍左右，那么因為共模電容不配置引起差模干擾的頻率也會遠高于差模濾波器截止頻率，可以有效濾除因共模電容不匹配引入的高頻差模干擾。 RC濾波器中的電阻選用了500歐姆，這一取值避免了與ADX112的輸入阻抗形成不利的分壓效應，防止對增益誤差造成過大影響。若系統設計中已考慮對增益誤差進行校準，則電阻的取值可以適當放寬。 在電路布局時，應將ADX112與熱電偶的接線端子盡可能靠近，以減少ADX112內部溫度與熱電偶實際參考端（冷端）之間的溫差，從而降低對最終溫度測量誤差的影響。 SPI接口的設計同樣經過周密考慮，以確保良好的抗擾性。在MCU與SPI口的各引腳之間串接了一個小電阻（約50Ω），并預留了上拉電阻，以便在EMC測試中遇到問題時進行必要的調整。這種設計不僅增強了系統的穩定性，也為應對電磁兼容性測試提供了靈活性。 三、 基于ADX112的軟件設計 3.1 精準的冷端補償策略 在軟件設計中，將檢測到的熱電偶電壓轉換為實際溫度值是一項至關重要的任務。這一過程需要依賴熱電偶分度表，該表通常是在參考端（冷端）溫度為0℃時記錄的工作端（熱端）溫度數據。 正確的冷端補償流程如下： 1. 參考端溫度的準確獲取：首先，從熱電偶分度表中查詢得到參考端（冷端）溫度Tcj所對應的電壓Vcj。對于ADX112Q，可以通過讀取內部溫度傳感器的寄存器轉換結果來獲得冷端溫度Tcj。 2. 電壓轉換與補償：將熱電偶測量得到的電壓Vtc（相當于EAB(Ttc,Tcj)與查表得到的Vcj（相當于EAB(Tcj,0)相加，得到總電壓Vtct。然后在分度表中查找與Vtct（相當于EAB(Ttc,0)對應的溫度Ttc。 示例分析： 假設ADX112測量得到的K型熱電偶熱電勢為40mV，同時內部溫度傳感器測得的冷端溫度為20℃，我們如何確定被測溫度？ 1. 根據K型熱電偶分度表，查得20℃時對應的熱電勢為0.798mV 2. 將此值與測量得到的40mV相加，得到40.798mV 3. 最后，根據分度表查找此總電壓對應的溫度，得到被測溫度為980.823℃ 警示與糾正： 一些工程師可能會直接將測量得到的熱電偶電壓轉換為溫度值并與冷端溫度相加，這種方法忽略了熱電偶中間溫度定律，因而是錯誤的。正確的做法是按照上述步驟進行冷端補償，以確保溫度測量的準確性。 通過上述精確的軟件設計方法，可以充分利用ADX112Q的高性能特性，實現熱電偶檢測中的高精度溫度測量。 3.2 編程精要：ADX112接口與寄存器配置 本小節將闡述ADX112的編程精要，對于詳細的配置步驟和未盡事宜，強烈建議詳細閱讀ADX112Q的數據手冊，以確保編程的準確性和系統性能的最優化。通過精確的配置，可以充分發揮ADX112Q在熱電偶檢測及其他傳感器測量應用中的性能潛力。 3.2.1 SPI通訊協議 在SPI通信中，ADX112的SCLK引腳在空閑狀態時保持低電平，并在SCLK的下降沿鎖存DIN線上的數據。因此，微控制器(MCU)的SPI接口應配置為MODE 1模式（CPOL = 0, CPHA = 1），以確保數據的正確同步和傳輸。 3.2.2 寄存器架構 ADX112的寄存器架構簡潔高效，包含兩個16位寄存器：AD轉換結果寄存器（CONVERSION REGISTER）和配置寄存器（CONFIG REGISTER）。特別需要注意的是，轉換結果以二進制補碼形式存儲。若需顯示負數的絕對值，必須先進行相應的補碼轉換。 3.2.3數據傳輸周期 ADX112Q支持在單一數據傳輸周期內直接回讀配置寄存器的設置。一個完整的數據傳輸周期由32位組成，當啟用配置寄存器數據回讀功能時；若CS線可控，且未設置為永久低電平，則周期為16位。在實際應用中，32位的數據傳輸周期更為常見。 在32位的數據傳輸周期中，數據由四字節組成：前兩個字節包含轉換結果，后兩個字節為配置寄存器的回讀數據。系統始終優先讀取最高有效字節(MSB)。
3.2.4 設置配置寄存器 在本方案中，配置寄存器的設置是確保ADX112Q正確操作的關鍵步驟。以下是針對本方案的配置要點：
1） 模式選擇（MODE） 考慮到本方案涉及兩路K型熱電偶輸入及內部溫度測量的需求，配置寄存器的MODE位（bit8）應設置為“Power-down and single-shot mode”。此模式在單次轉換后自動進入低功耗狀態，適合對功耗有嚴格要求的應用場景。 2） 可編程增益放大器（PGA[2:0]） K型熱電偶的測溫范圍廣泛，從-270℃至1370℃，對應的熱電勢為-6.5mV至54.8mV。為了適應這一輸入范圍，并且與ADX112的全量程±0.256V相匹配，PGA的增益應設置為0b111，確保信號在ADC的整個量化范圍內得到準確轉換。 3） 輸入多路復用器（MUX[2:0]） 由于需要處理兩路差分輸入的K型熱電偶信號，MUX寄存器應根據輸入通道在0b000和0b011之間進行切換，以選擇正確的輸入通道。 4） 數據速率（DR[2:0]） 數據速率的設置決定了ADC的采樣速度。在此方案中，DR位應設置為0b000，對應于8sps的數據速率，平衡了轉換精度和系統功耗。 5） 溫度傳感器模式（TS_MODE） TS_MODE位通常設置為0，以選擇ADC模式。當需要進行溫度測量時，應將此位設置為1，以切換至溫度傳感器模式（Temperature sensor mode）。 6） 無操作位（NOP[1:0]） 在進行寄存器寫入操作時，NOP位必須設置為0b01，以確保寫入操作被執行。若設置為其他值，寫入操作將被忽略。 7） 單次啟動位（SS） 在Power-down and single-shot mode（單次模式）下，SS設置為1啟動轉換。在讀取SS位時，0表示轉換正在進行中，而1表示轉換已完成，此時可以讀取轉換結果。值得注意的是，當SS位為1時，應再次讀取轉換結果寄存器，而不是直接采用本次讀上來的數據。數據轉換完成后，DOUT/DRDY引腳將輸出低電平，為系統提供了另一種判斷數據轉換完成的方式。 3.2.5 讀取轉換結果 在配置寄存器正確設置之后，接下來的任務是按照既定流程切換通道并讀取轉換結果。以下是詳細的步驟： 1） 啟動通道1單次轉換：首先，向ADX112Q發送0x8F0B指令，此操作將完成配置并觸發單次轉換的開始。 2） 查詢轉換狀態：隨后，發送0x0F0B指令以查詢轉換狀態位SS。若SS位為0，表明轉換正在進行中，此時需繼續監控。 3） 保存通道1轉換結果并切換通道：一旦SS位變為1，表示轉換已完成。此時，發送0xBF0B指令，將讀取的轉換結果保存，該結果將作為通道1（連接至AIN0和AIN1）的有效數據。 4） 重復查詢流程：再次發送0x030B指令，重新查詢SS狀態。若SS位為0，繼續監控；若為1，則表明通道2的轉換已完成。 5） 保存通道2轉換結果并切換通道：對于通道2（連接至AIN2和AIN3），發送0x8F0B指令，將讀取的轉換結果保存，作為該通道的有效數據。 6） 循環操作：返回至第2步，繼續執行循環操作，以持續監測和記錄各通道的轉換結果。 3.2.6 內置溫度傳感器數據的讀取方法 啟用內置溫度傳感器模式，需將配置寄存器CONFIG REGISTER中的TS_MODE位設置為1。此時，溫度數據將以16位轉換結果中的14位左對齊格式表示，且從最高有效字節（MSB）開始輸出。讀取這兩個數據字節時， 前14位用于表示溫度測量結果。一個LSB 等于 0.03125°C。負數以二進制補碼格式表示，如下表所示。
四、總結 本文詳細介紹了基于類比半導體高性能16位模數轉換器ADX112的熱電偶檢測方案。通過深入分析熱電偶的工作原理、基本定律以及在信號采集環節中的挑戰，我們展示了ADX112在解決這些挑戰中的獨特優勢。ADX112的卓越噪聲性能、寬輸入范圍、高精度溫度傳感器以及低功耗特性，使其成為熱電偶檢測應用的理想選擇。 在電路設計方面，我們提供了簡潔而高效的設計方案，包括偏置電阻和抗混疊濾波電路的合理配置，確保了信號的穩定性和準確性。軟件設計部分，我們詳細闡述了冷端補償的重要性和實施方法，以及與ADX112通信和數據處理相關的編程要點，確保了用戶能夠準確讀取和轉換熱電偶信號為溫度值。 通過實際應用案例的分析，我們證明了ADX112在熱電偶檢測中的高性能表現，不僅滿足了工業應用中的嚴苛要求，還通過其內置的高精度溫度傳感器，簡化了冷端補償的復雜性，提高了整體測量的精度和可靠性。 ADX112的推出，不僅豐富了類比半導體在模擬和數模混合芯片領域的產品線，也為熱電偶檢測技術的發展樹立了新的標桿。我們相信，憑借其高性能、靈活性和成本效益，ADX112將為工業測量領域帶來更多創新的可能，助力客戶實現更高效、更智能的自動化控制系統。 隨著技術的不斷進步和市場需求的日益增長，類比半導體將繼續致力于技術創新，推動高精度、高穩定性能的芯片研發，滿足工業和汽車等市場的多樣化需求。我們期待與廣大客戶和合作伙伴攜手前進，共創更加智能化和科技化的未來。 關于類比半導體 類比半導體是一家模擬及數模混合芯片和解決方案供應商，公司成立于2018年，由一批來自于國際頂尖半導體公司的本土工程師創建。公司總部位于上海，在蘇州、深圳、西安、北京分別設有研發和技術支持中心。公司專注于汽車智能驅動、線性產品、數據轉換器等領域的芯片設計，產品主要面向工業和汽車等市場。類比致力于為客戶提供高品質芯片，為世界科技化和智能化發展提供底層的芯片支持。更多信息請搜索“類比半導體”微信公眾號關注我們。 |
