ADS1118精密热电偶测量参考设计

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ZHCU067-June 2013

Precision Thermocouple Measurement with the ADS1118

图 4：塞贝克效应的图解

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（Figure 3 中的结点 A），较短部分的相对端点（结点 B 和 C）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。这个效应意味着热电偶并不实际测量一个绝对温度；它们只是测量两

个点之间的温度差，这两个点通常称为热端和冷端。因此，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。

在经典设计中，为了建立一个已知的温度，热电偶的一端被保持在冰槽中（Figure 3 中的接合点 B 和 C）。

实际上，对于大多数应用，提供一个真正的冰点基准不太现实。而是持续监视热电偶 B 和 C 端点的温度，

并将其用作基准点来计算热电偶另外一端 A 的温度。由于历史原因，这些接合点被称为冷端或冰点，虽然

并不需要将它们保持寒冷状态或接近冷冻状态。

这些端点被称为接合点，这是因为它们连接至某些形式的接线端子，通过此接线端子由热电偶合金线过渡为

印刷电路板或 PCB 上线条（通常为铜质）。过渡回铜的过程产生了冷接合点 B 和 C。由于中间金属定律，

接合点 B 和 C 可被视为单基准接合点，倘若它们被保持在同一温度或等温线上。一旦得知基准接合点的

温度，可计算出接合点 A 上的绝对温度。测量接合点 B 和 C 上的温度，然后使用那个温度来计算接合点

A 上的温度，被称为冷端补偿。

在很多应用中，接合点 B 和 C 上的温度使用一个二极管、热敏电阻或 RTD 进行测量。与任一形式的冷端

补偿一样，实现精确的热电偶测量需要满足两个重要条件：

• 接合点 B 和 C 必须保持在等温线上，或者保持在同一温度。可通过将接合点 B 和 C 保持在互相十

分靠近的位置，并且远离 PCB 上可能存在的任一发热源来实现这一条件。很多时候，等温块被用来将

接合点保持在同一温度。大质量的金属提供了很好的等温方式。对于其它应用，尽可能地将铜填充到

接合点周围也许就足够了。通过在顶层和底层创建一个金属填充岛，用等间隔过孔连接在一起，就形

成了一个简单的等温块。有必要确保这个等温块不受来自电路中其它区域，诸如功率调节电路的寄生

发热源的影响。

• 接合点 B 和 C 的等温温度必须精确测量。越将温度传感器（诸如二极管，RTD 或热敏电阻）放置在

靠近等温块的位置越好。气流也会降低冷端补偿测量的准确度。为了实现最佳性能，建议确保冷端被

保持在封闭状态，并且将冷端附近的空气流保持最低。在气流不可避免的应用中，找到一个机械方法，

以某种类型的屏蔽来覆盖测量冷端的传感器，保护冷端不受气流的影响，也许会有所帮助。有必要牢

记的是，PCB 的方向会影响冷端补偿的准确度。例如，如果在冷端下方有发热元件，由于这些元件发

出的热量上升，误差会变得很明显。

输入信号调理在任何设计中，信号调理都很关键。由于混叠效应，任何 ADC，无论其架构，在其输入上都

需要某些数量的滤波，以减少系统噪声。由于 △-Σ ADC 中的数字滤波器，对于一个外部模拟滤波器的需

要被大大降低了，但是仍然需要某些滤波。如

Figure 5 中显示的一个简单滤波器将提供一个很均衡的差分

滤波器设计。这些滤波器的重要作用是，抑制掉那些有可能进入 ADC 输入，频率接近于调制器采样速度的

噪声。调制器采样速度通常比实际 ADC 输出数据速率高几百甚至几千倍。这些频率上的噪声根本无法由

数据转换器进行数字抑制，而必须通过模拟输入滤波来抑制。 △-Σ ADC 具有确定的调制器采样频率，以

使外部滤波器能够进行相应地设计。例如，ADS1118，具有 250kHz 的调制器采样频率。

Hot Cold

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图 5：使用一阶低通滤波器进行的信号调节

Figure 5 中的输入信号调节电路具有某些非常优良的属性。它提供滤波、偏置、过压保护和传感器开路检

测。它包括一个通过 R

和 R

实现的简单偏压生成，这将把热电偶置于电源和接地的中间位置。对于诸如

ADC，运算放大器和可编程增益放大器 (PGA) 来说，这通常是一个理想的共模电位。此外，在这个应用中，

如果热电偶被断开，这些电阻器将自动驱动输入信号到电源和接地电位，从而为 ADC 提供一个明显的传感

器断开条件。这些电阻器的确增加了少量的噪声，所以对于极高精密设计，在选择这些电阻器的大小时，

应该将热噪声考虑在内。或者，诸如 ADS1247/8 的某些产品具有内置的偏压生成和断路检测电流源，这就

免除了对这些电阻器的需要。

差动滤波器对于减少共模和差模噪声分量也十分重要。用于滤波器的电阻器也用来限制到滤波器之后任一

器件的输入的电流。当选择合适的值后，可以大大提升输入的可靠性，保护其不受静电放电 (ESD) 和长期

过压条件的影响。 Figure 5 中显示的滤波器是差分信号中十分常用的结构。然而，当选择组件时，有几个

关键点需要牢记。

1. 由于共模电容器的不匹配会导致差模噪声，建议差模电容器至少比共模电容器大 10 倍。

2. 为了实现良好的电磁干扰 (EMI) 抗扰度，请牢记，简单地将大电容器放置在信号路径和电源上将不

能有效地减弱高频噪声分量。使用具有低等效串联电阻 (ESD) 和低电介质吸收 (DA) 的小型

（10nF 和更低）电容器与敏感电源和信号路径上的其他较大电容器并联可大大改进 EMI 抗扰度。

3. 在输入上增加磁珠或共模电感可进一步提高 EMI 保护。如果很担心会频繁暴露在电气过应力或静

电放电 (ESD) 环境中，可在输入滤波器之前将肖特基钳位二极管或瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管

添加到暴露的输入上。这些组件都会影响性能，并且在把它们添加到信号链路前应考虑它们的泄露

问题。

滤波器参数的选择非常简单。对于一个热电偶，实际信号不会变换很快，所以选择小于 10Hz 的低截止频

率滤波器是合理的，如果使用高质量电容器，此滤波器将提供极佳的噪声性能。对于极低截止频率低通滤

波器，最好使用尽可能大的差模电容器，以及尽可能小的电阻器，以实现尽可能低的频率截止和带内噪声。

然而，所要求的元件参数也许是不实际的。例如，Figure 5 中显示的差动滤波器截止频率按下列等式计算。

( )













−

DIFFDIFFBDIFFA

DMC

CRR

(1)

作为一个示例，请考虑一个需要 10Hz 滤波器截止频率的设计。此外，请考虑也许对于串联电阻的最高值

有一个特定的限制，也许是 500Ω。为了使用 500Ω 串联电阻生成滤波器，C

DIFF

需要为 15µF ，而 C

将需要

为 1.5µF。对于很多应用来说，如此大的电容器是不实际的，可能需要更大的电阻值或放宽带宽要求。然

而，当 ADC 的输入阻抗不高时，较高的电阻会导致明显误差。此外，R

DIFFA

和 R

DIFFB

应该保持一致，这样可

AVDD

CMB

DIFF

CMA

GND

DIFFA

DIFFB

GND

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