一种基于ADS1118的双通道宽范围温度测量系统

2022-11-03夏胜德

现代信息科技 2022年18期

夏胜德

（永旭腾风新能源科技（上海）有限公司，上海 201800）

0 引言

燃气轮机在将化学能转换为电能的过程中，燃料的燃烧充分度，燃烧室器件的工作状态，系统有无超温等状态均能通过监视其排气温度来判断，监视排气温度有着重要的意义，在选择测量元件上，热电偶因其测温范围广、坚固耐用、响应快、无自发热等优点，温度监测被广泛应用，但在宽温度区间其呈现了较为明显的非线性，同时依赖对冷端温度的识别也即是冷端补偿，本文采用带内部温度补偿的高精度模数转换器实现这一过程的准确测量，对于非线性温度在小步长温度范围区间采用线性差值算法进行温度换算，整个硬件系统的技术指标如表1所示。

表1 测温系统技术指标

1 测量原理及硬件系统设计

1.1 测量原理

热电偶是由两种不同的合金导体其中的一端端点焊接在一起而另一端保持断开的测温元件，通常由铬镍组成。如图1所示是塞贝克效应呈现的导体冷端和热端不同区域的电子分布示意图，只要一个导体从一端到另外一端经历了一个温度梯度，就会产生一个电动势。这个电动势由于导体内的自由电子以不同的速率（取决于温度）扩散而上升。导体热端上具有更高能量的电子扩散的速度，快于冷端上具有较低能量电子的扩散速度。净效应就是在导体的一端上出现电荷的堆积，并且在热端和冷端之间产生一个电动势。不同类型的金属以不同的强度水平表现出这个效应。当两个不同类型的金属被配对使用并且在一个特定点上被连接在一起时，较短部分的相对端点上的电压差与导体对的任一端点上形成的温度梯度成正比。塞贝克效应表明热电偶并不是实际测量一个绝对温度，它只是测量两个点之间的温度差，这两个点通常称为热端和冷端。为了确定热电偶任一端上的温度，必须知道相对端点上的准确温度，也即是冷端补偿，本文正是基于这一原理进行温度测量系统设计。

图1 塞贝克效应

1.2 ADS1118 简介

ADS1118 是德州仪器推出的一款超小型、低功耗、16 位、ΔΣ 模数转换器，可使用在-40 ℃至+125 ℃环境中。内部由一个增益可调节的ΔΣADC 内核、一个内部电压基准、一个时钟振荡器以及一个SPI 通信接口组成，具备一个多路复用器，提供双路全差分或四路单端模拟输入，同时内部集成了一款线性度较高的温度传感器，功能框图如图2所示，值得重点说明的是ADS1118 采用开关电容输入级，通过对电容持续进行充电和放电测量AINP 和AINN 之间的电压。ADS1118 具有一个频率为1 MHz 的内部振荡器。内部对此频率进一步进行

图2 ADS1118 功能框图

四分频可生成250 kHz 的调制器频率。为了提高系统的可靠性，特别要求输入差分信号在250 kHz 频率附近噪声信号有较大衰减，这也就是本次设计中提到的在250 kHz 频率附近噪声抑制达到60 dB 的核心原因。

1.3 输入信号调理电路设计

图3 为使用一阶低通滤波器信号调理框架，热电偶两端通过上下拉电阻接入低通滤波器，信号输入采用全差分输入，以减少共模干扰并提高差模分量。输入端提供滤波、偏置、传感器开路检测，热电偶两冷端一个被R上拉，一个被R下拉，如果热电偶被断开，上下拉电阻将自动驱动输入信号到电源和地电位，从而为ADC 提供一个明显的传感器断开指示。为了进一步减少共模和差模噪声分量，输入端设置有差动滤波器。在具体电路实施过程中选用的差模电容器比共模电容器大10 倍，可以有效避免共模电容器的不匹配导致产生差模噪声。同时为了实现良好的电磁干扰抗扰度，要求应具备低等效串联电阻和低介电吸收特性，其具体设计详见下文。

图3 一阶低通滤波器信号调理框架

根据ADS1118 芯片手册电气特性可知，在-40 ℃至+125 ℃区间，VDD=3.3 V，全差分量程FSR 为±0.256 V时，典型的差分输入阻抗为710 kΩ，而0.256 V 的电势差足够覆盖K 型热电偶在0 ～1 000 ℃的温度范围，本设计采用FSR=±0.256 V 进行设计。输入信号调理电路要求在250 kHz 带宽附近噪声抑制保持在低于60 dB，也即是250 kHz带宽附近噪声被信号调理一阶低通滤波器抑制到小于1 LSB峰值。

具体的，要求滤波器将250 kHz 时噪声减少1 000 倍（-60 dB），ADS1118 为16 bitADC，故：

由于1 LSB 与7.182 5 μV 等效，所以在250 kHz 附近的有限带宽内有7.812 5 mV 噪声被抑制到小于1 LSB，由于输入端调理滤波器为一阶滤波器，每十倍频抑制20 dB，对应的-3 dB 频率将从250 kHz 下推3 个十倍频程得到，也即是250 Hz，若选定和分别为常规陶瓷电容，容值取=1 μF，=0.1 μF，并取和阻值相同为，根据图2、图3 可知，差模截止频率为：

则：

也即是：当大于或等于303 Ω 时，在250 kHz 时噪声至少有60 dB 的衰减。

根据芯片手册提供的信息，ADS1118 的模拟输入通道最高能承受高达10 mA 的持续电流，芯片正常供电最大值为5.5 V，基于可靠性考虑，经差分输入电阻输入的电压高于或低于地电位5 V 时，此电路仍能够正常稳定工作。

所以，为了将输入至ADS1118 的电流限制在小于10 mA，串联电阻修正为：

取==499 Ω，代入式（2）中得到滤波器实际截止频率为132 Hz，在250 kHz 处噪声抑制64.3 dB。

接下来考虑上下拉电阻和的取值，在不引入过多额外噪声情况下，和应该越大越好，根据电阻热噪声公式：

其中，为玻尔兹曼常数，=1.38×10J/K；为绝对温度273 K；为电阻值；为带宽；将截止频率132 Hz带入式（3）中，可得：

也即是：

故和为15 MΩ 之内取值即可，考虑到不过多增加热噪声取==1 MΩ 即能满足要求。

本设计中一阶低通滤波在整个信号链上带来了额外的差分输入阻抗，这些差分阻抗与芯片内部的710 kΩ 差分阻抗进行串联，导致信号并非全部输入至芯片内部，这里存在滤波器误差，也即是：

这个误差将随输入信号变化，当0 V 差分输入时，没有误差。然而，一个在1 000 ℃的OmegaK 型热电偶标准产生41.275 6 mV 的热电势时，标准热电势41.275 6 mV 的信号将被衰减为：

其中产生了54.9 μV的误差，也即是产生了1.339 ℃的误差。

根据以上推算得到的输入前端信号链及ADC如图4所示。

图4 输入端信号链及ADC 框图

1.4 后端处理

在1.3 节中的信号链设计的基础上，后端只需要适配带SPI 通信的MCU 与ADS1118 进行数字通信并经软件换算后即可得到热电偶探测的实时温度，考虑到可靠性，ADS1118与MCU 通信采用隔离通信方式，本设计中采用专有的磁隔离通信芯片，隔离通信框架图如图5所示。

图5 ADS1118 与MCU 通信框架

本设计实例中采用笙泉8 位单片机MA82G5D16AS16作为控制器，数字隔离芯片采用上海矽朋SSP5841ED，在其他设计场合只需要更换对应的MCU 即可实现本案例的移植，前端信号链无须做任何更改。

2 软件设计

由1.1 节测量原理可知，塞贝克热电效应最终表现在冷端和热端的热电势差上，测量温度的过程转换为基于冷端的温度和差分输入的热电势，并根据热电势与温度特性曲线反向求解热端温度的过程。具体的操作步骤为：

步骤1：通过MCU 对ADS1118 的每个SPI 通信周期内（考虑到温度变化的频率一般情况下不会太快本案例设置为50 ms 足以应对多数场合）获取其内部温度传感器的温度TCJC(也即是冷端温度)和ADC 的差分输入电压(也即是热电偶冷端热电势)。

步骤2：基于按温度与热电势的特性曲线换算为冷端热电势。并结合得到补偿后实际的热端热电势。

步骤3：根据热电偶热电势与温度特性曲线将换算为热端温度。

由于K 型热电偶在0 ～1 000 ℃的塞贝克温度特性曲线并非完全线性，基于厂家提供的温度热电势表用MATLAB推导出温度与电势差的高阶多项式应用在51 单片机中，8位MCU 计算高阶乘法，需要耗费大量的处理器时间和内存，本设计中，步骤2 和步骤3 采用区间线性差值算法来计算准确的温度。具体的做法是，在MCU 运行的RAM 中建立一张以1 ℃为步长的热电势表（该表由热电偶厂商提供），如图6所示。