簡述熱電偶的測溫原理及XTR108芯片原理

張 震,張玉晗

(中國衛(wèi)星海上測控部遠望5號船，江蘇 江陰 214431)

0 引言

科學實驗中測溫的方式有許多種，其中一種方法即利用半導體、合金等材料的電阻隨著溫度變化而改變的這種特性，通過測量電阻變化量間接地測量溫度的變化[1]。將半導體、合金等材料制成的溫度測量儀器稱為熱電阻測溫計，這種測溫計測量時具有輸出信號強、響應快、測量精度高等優(yōu)點。XTR108芯片主要用于溫度傳感器或橋式電路，也可用于各種遠程RTD傳感器、應變計、壓力變送器、重量檢測環(huán)節(jié)等。本文主要介紹了鉑熱電阻的測溫原理以及XTR傳感器原理，以方便其在智能傳感器之中應用。

1 鉑熱電阻測溫原理

1.1 鉑熱電阻的溫度特性

目前，科學實驗和工業(yè)測試中常用的測溫方法為鉑電阻測溫或銅電阻測溫[2]，其中Pt100和Cu50是最廣泛使用的，除此之外常用的還有Pt10、Pt20、Pt50、Pt200、Pt300、Pt500、Pt1000、Pt2000等，都是基于鉑電阻在0 ℃下的實際電阻值來命名的。本設計應用到的是鉑熱電阻Pt100。

金屬鉑熱電阻的測溫范圍通常為-200℃-850℃，電阻和溫度之間的線性關(guān)系分為0℃以下特性和0℃以上特性。

1) 當溫度處于-200℃-0℃時，金屬鉑熱電阻的測溫特性公式：

Rt=R0(1+A*t+B*t2+C*t3*(t-100)).

2)當溫度處于0℃-850℃時，金屬鉑熱電阻的測溫特性公式：

Rt=R0(1+t*x+B*t2).

式中：R0為0 ℃時金屬鉑熱電阻的實際阻值(Ω)；Rt為t ℃時金屬鉑熱電阻的實際阻值(Ω)；T為已知被測溫度(℃)；A為常量，參考值為3.9083×10-3；B為常量，參考值為-5.775×10-7；C常量，參考值為-4.183×10-12。

1.2 鉑熱電阻測溫連接方式

鉑熱電阻[3]是將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化的電氣元件。一般地，鉑熱電阻的阻值改變量以信號的形式通過導線傳輸給機控室或其他儀器。目前測溫導線和鉑熱電阻連接的方式主要分為三種：

1) 二線制：在鉑熱電阻的首端、尾端分別連接引線的測量方法稱為二線制測量法，這種接線制方法較簡單，但由于連接現(xiàn)場與機控室的導線存在導體電阻R的因素(R的大小與材料、長度有關(guān))，故這種方法只適合測量精度要求較低的場合。

2) 三線制：在鉑熱電阻的首端連接一根引線，尾端連接兩根導線的方式稱為三線(通常與電橋配套使用)，三線制可有效地減小導線電阻的誤差，故這種方法最常用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。

3) 四線制：在鉑熱電阻的首端及尾端各接兩根引線的接線制稱為四線制，其兩根導線為鉑熱電阻供穩(wěn)定電流I，將電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朥，其他兩根導線將電壓信號U引至二次儀表。四線制可完全消除導線電阻對測量的影響，故其主要應用于精度較高的溫度測量。

實際檢測現(xiàn)場加裝工業(yè)鉑熱電阻時，現(xiàn)場與機控室之間有一定傳輸距離，連接鉑熱電阻的導線會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，故本設計應用的是三線制連接方式，從而減少相對誤差。

2 XTR108芯片簡介

2.1 芯片功能與結(jié)構(gòu)

芯片SPI數(shù)字通信接口與標準SPI總線兼容，用戶可以直接通過SPI串行通信接口，對模擬信號的零點數(shù)值和非線性系數(shù)進行校準。芯片上電后將自動從外部EEPROM讀取XTR108內(nèi)部寄存器需要的參數(shù)。具體的XTR108芯片[4]內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 XTR108內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 模擬信號處理部分

1) 輸入/輸出復用管腳

我從小就喜歡讀書，或許是受爸爸媽媽的影響吧?，F(xiàn)在的我，已經(jīng)閱讀了大量的書，這開闊了我的眼界，使我增長了見識，提高了我的語言表達能力。在我閱讀的日子里，還發(fā)生過許許多多有趣的事情呢！

XTR108[5]共有6個模擬信號輸入/輸出復用管腳。Iret輸出和PGA輸入可以分別連接到任何一個V/I管腳處，若輸入電壓在限制的范圍之內(nèi)，Iret和PGA都可以連接到同一管腳上，這使得XTR108芯片的激勵輸出Iret和PGA輸入配置更靈活。

2) 可編程增益放大器PGA

XTR108內(nèi)部的PGA可以設置為總共七檔不同的電壓增益，放大倍數(shù)可為6.25/2.5/25/50/100/200/400V/V，增益的設置取決于量程的選擇。且PGA內(nèi)部有高精度自穩(wěn)設計，可以實現(xiàn)較高的激勵輸出精度，但也是由于存在自穩(wěn)定電路，PGA在增益過大時會產(chǎn)生較難消除的干擾紋波，所以實際使用時需要在Cfliter和Iret之間添加一個0.01μF的濾波電容，該濾波電容可低通濾波，對1.5 kHz的信號有一個-3db的衰減效果。

3) 激勵電流和零點粗/細調(diào)

實際應用XTR108芯片時，電阻和傳感器的參數(shù)不匹配或被測元件的非理想化都會使PGA在輸出上產(chǎn)生零點偏移，因此XTR108芯片內(nèi)部設置了激勵電流與零點雙向控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(粗調(diào)DAC和微調(diào)DAC)，內(nèi)置的寄存器都是8位。激勵電流DAC與零點DAC同理。

3 寄存器

3.1 芯片內(nèi)部寄存器

XTR108內(nèi)部有16個寄存器。

寄存器0(控制寄存器1)：用于復位芯片和檢測檢驗和是否正確。RST置1時芯片復位，CSE表示檢驗和是否正確，該位只讀，檢驗和錯誤時CSE置1。

寄存器1、2：空。

寄存器3(錯誤狀態(tài)寄存器)：反相輸入端超過電壓上限F0置1，反相輸入端低于電壓下限F1置1，同相輸入端超過電壓上限F2置1，同相輸入端低于電壓下限F3置1。

寄存器4(控制寄存器2)：RBD置1時，XTR108芯片剛上電時就從EEPROM讀寫數(shù)據(jù)；RBD為0時，CS1釋放XTR108從EEPROM中讀取相應值并覆蓋寄存器的值。

寄存器5(上下限寄存器)：PGA的輸入超過最大電壓時，I0會輸出上限報警電流；若小于，則I0會輸出下限報警電流。FD置1禁用報警。

寄存器6(PGA增益控制寄存器)：設置PGA增益大小。

寄存器7(警告配置寄存器)：PGA輸入超范圍的具體狀態(tài)。

寄存器8(PGA輸入配置寄存器)：設定V/I0-5的引腳連接到PGA同相或反相端。

寄存器9(激勵電流Iref輸出配置寄存器)：設定激勵電流具體連到哪個引腳上。

寄存器10/11(Iref細/粗調(diào)寄存器)：Iref設定大小。

寄存器12/13(零點細/粗調(diào)寄存器)：調(diào)節(jié)零點電流。

寄存器14(線性化調(diào)整寄存器)。

寄存器15(檢驗和寄存器)。

3.2 串行通信

XTR108芯片支持串行SPI接口通信，上位機或單片機可通過SCLK、SDIO、CS1、CS2等管腳進行讀寫操作，傳輸時高位(MSB)需在前，低位(LSB)在后。數(shù)據(jù)傳輸以一字節(jié)為單位傳輸，如果芯片被讀寫，則第一個字節(jié)的最高位為寫命令(0)或讀命令(1)，低四位A0-A3是與地址為0-15的數(shù)據(jù)寄存器相對應的寄存器地址，其余位為0。從第二個字節(jié)開始，數(shù)據(jù)在SCLK下降沿時從SDI0引腳輸出，SCLK上升沿引腳加載SDI0引腳數(shù)據(jù)。如果需寫入多個數(shù)據(jù)，則寫入第一個數(shù)據(jù)后，寄存器地址將增加1，下一個數(shù)據(jù)被寫入相應的寄存器。CS1、CS2是XTR108芯片的芯片選擇線，低電平有效。

如果單片機對EEPROM進行讀寫操作，第一個輸入的字節(jié)必須為0X7F，此時CS2產(chǎn)生下降沿選擇EEPROM，單片機隨后可以對EEPROM進行讀寫操作，XTR108芯片將忽略SDI0上的所有數(shù)據(jù)。

XTR108上電后，會自動讀取外部EEPROM內(nèi)的相應數(shù)據(jù)，本設計EEPROM選擇的是Atmel公司的AT25010芯片，XTR108從EEPROM地址4-15中讀取數(shù)據(jù)覆蓋芯片內(nèi)部4-15寄存器。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了熱電偶的測溫原理，并介紹了XTR108芯片的工作原理及內(nèi)部寄存器使用方式，為硬件電路的設計提供了重要的依據(jù)。