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（安陽(yáng)工學(xué)院電氣工程系，河南 安陽(yáng) 455000）馬金元, 楊麗飛
馬金元（1966—）
男，河南林州市人，副教授，碩士，主要從事檢測(cè)與控制方面的教學(xué)和研究工作。
1 引言
溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的過(guò)程參數(shù)，溫度傳感器有多種類型，常用的溫度測(cè)量器件有熱敏電阻（NTC）、鉑電阻溫度探測(cè)器（RTD）、半導(dǎo)體器件溫度傳感器、以及熱電偶等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，參見(jiàn)文獻(xiàn)[1-3]，RTD是金屬傳感器，有良好的線性度和高溫穩(wěn)定性，RTD和溫度傳感器IC具有高靈敏度和高精度的優(yōu)點(diǎn)，可以很理想地用于精確測(cè)量系統(tǒng)，但存在成本高，測(cè)量電路復(fù)雜等缺點(diǎn)；熱電偶具有測(cè)量溫度范圍寬，低價(jià)位，性價(jià)比高，易使用，魯棒性、可靠性高，響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，是各種工作環(huán)境下的首選，但是，熱電偶在溫度測(cè)量中也存在線性度較差、需要專用導(dǎo)線和冷端補(bǔ)償、信號(hào)電平低等缺點(diǎn)。本文針對(duì)熱電偶的上述不足，設(shè)計(jì)了基于MX7705的高精度溫度測(cè)量電路，該測(cè)量電路具有性價(jià)比高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、編程設(shè)計(jì)靈活、且易于和微處理器（μPC）接口等優(yōu)點(diǎn)，可滿足多數(shù)工業(yè)溫度控制要求。
2 MX7705功能介紹
MX7705是美國(guó)Maxim公司2005年底推出的低功率、高性能A/D轉(zhuǎn)換器，參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]，該芯片16個(gè)管腳，雙通道差動(dòng)輸入、16位串行輸出，采用Σ-Δ轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，16位分辨率，非線性度0.003%，電源電壓靈敏度±0.003%，噪聲低（650nV）、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括輸入通道選擇開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、輸入緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、Σ-Δ調(diào)制器、數(shù)字濾波器、SPI串行通信接口、寄存器、邏輯控制電路、以及振蕩器等。該芯片具有豐富的編程資源，輸入信號(hào)允許單極性或雙極性設(shè)置，緩沖器使輸入級(jí)與高阻抗信號(hào)源相匹配，PGA增益和偏移誤差具有自校正和系統(tǒng)校正功能，片上數(shù)字濾波器的截止頻率和數(shù)據(jù)輸出率可編程，在第一個(gè)陷波點(diǎn)（50Hz噪聲）的衰減度也允許編程，可選擇衰減150dB或98dB，串行通信接口允許簡(jiǎn)易地連接到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器上，對(duì)MX7705的串行讀取可以訪問(wèn)輸出寄存器、控制寄存器或校準(zhǔn)寄存器的數(shù)據(jù)，串行寫可以將數(shù)據(jù)寫入控制和校準(zhǔn)寄存器。PGA和數(shù)字濾波器使該芯片非常適合于對(duì)寬動(dòng)態(tài)范圍、低頻、弱信號(hào)的直接測(cè)量，即非常適合對(duì)熱電偶輸出模擬信號(hào)的直接采集，并且使信號(hào)調(diào)理電路最簡(jiǎn)化。
圖1 MX7055內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
MX7705擁有7個(gè)內(nèi)部寄存器，供串行口訪問(wèn)，如圖2所示，這7個(gè)寄存器控制器件的各種功能。通信寄存器控制通道選擇、讀/寫操作，以及訪問(wèn)哪一個(gè)寄存器；設(shè)置寄存器控制校正模式、增益設(shè)定、單極性/雙極性輸入、緩沖/非緩沖方式；時(shí)鐘寄存器設(shè)定數(shù)字濾波器特性時(shí)鐘控制字節(jié)；數(shù)據(jù)寄存器保存輸出數(shù)據(jù)；偏移/增益寄存器儲(chǔ)存校正系數(shù)；測(cè)試寄存器只用于芯片測(cè)試。
圖2 MX7705內(nèi)部寄存器
（1）通信寄存器 可讀/寫8位通信寄存器的結(jié)構(gòu)如下。
 |
RS2 | RS1 | RS0 | R/W | PD | CH1 | CH0 |
：寫啟動(dòng)/狀態(tài)指示位。=0時(shí)，啟動(dòng)通信寄存器寫操作；讀操作時(shí),=1，直到完成轉(zhuǎn)換，并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒時(shí)，變?yōu)?，當(dāng)新的數(shù)據(jù)已被讀取，并且下一次轉(zhuǎn)換尚未完成時(shí),變?yōu)?。RS2、RS1、RS0：寄存器選擇位。確定下一步將訪問(wèn)哪一個(gè)寄存器。
R/W：讀/寫選擇位。R/W=0，對(duì)被選寄存器寫操作，R/W=1，對(duì)被選寄存器讀操作；PD：掉電控制位；CH0、CH1:通道選擇位。00時(shí)對(duì)應(yīng)AIN1+-AIN1-差動(dòng)輸入，01時(shí)對(duì)應(yīng)AIN2+-AIN2-差動(dòng)輸入，10時(shí)對(duì)應(yīng)AIN1-單極性輸入，11時(shí)對(duì)應(yīng)AIN2-單極性輸入。
表1 寄存器選擇
| RS2 | RS1 | RS0 | 寄存器 |
| 0 | 0 | 0 | 通信寄存器 |
| 0 | 0 | 1 | 設(shè)定寄存器 |
| 0 | 1 | 0 | 時(shí)鐘寄存器 |
| 0 | 1 | 1 | 數(shù)據(jù)寄存器 |
| 1 | 0 | 0 | 測(cè)試寄存器 |
| 1 | 0 | 1 | 不操作 |
| 1 | 1 | 0 | 偏移寄存器 |
| 1 | 1 | 1 | 增益寄存器 |
（2）設(shè)定寄存器 可讀/寫8位設(shè)定寄存器設(shè)定校正模式、PGA增益、單極性/雙極性模式、緩沖使能和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，結(jié)構(gòu)如下。
| MD1 | MD0 | G2 | G1 | G0 | B/U | BUF-EN | FSYNC |
MD1，MD0：模式設(shè)定位，包括正常操作模式、自校正、零度校正、滿度校正。
表2 操作模式設(shè)定
| MD1 | MD0 | 操作模式 |
| 0 | 0 | 正常轉(zhuǎn)換模式 |
| 0 | 1 | 自校正模式 |
| 1 | 0 | 零度系統(tǒng)校正模式 |
| 1 | 1 | 滿度系統(tǒng)校正模式 |
自校正模式完成對(duì)CH0、CH1所選通道的自校正，自校正結(jié)束后，器件自動(dòng)恢復(fù)到正常模式（MD1=0 MD0=0）。自校正期間,
變?yōu)楦唠娖剑紫龋M輸入端在器件內(nèi)部被短路，進(jìn)行零度校正，以補(bǔ)償直流偏移電壓，確保等效模擬輸入電壓不超過(guò)1/2 LSB；其次，模擬輸入端在器件內(nèi)部連接相應(yīng)的滿度參考電壓（VREF/增益），進(jìn)行滿度校正，確保滿度輸入誤差不超過(guò)1/2 LSB，偏移/增益寄存器將自動(dòng)更新校正數(shù)據(jù)，當(dāng)完成自校正并且新的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器后,恢復(fù)為低電平。G2,G1,G0：PGA增益設(shè)定位。G2,G1,G0從安二進(jìn)制000遞增至111，PGA增益從20=1遞增至27=128。
B/U：?jiǎn)螛O性/雙極性輸入模式設(shè)定位。B/U=0時(shí)，雙極性輸入，B/U=1時(shí)，單極性輸入。
BUF：緩沖使能位。當(dāng)輸入信號(hào)源阻抗較低時(shí)，設(shè)定BUF=0，緩沖器的短路開(kāi)關(guān)閉合，模擬輸入無(wú)緩沖，以降低MX7705的功率消耗，當(dāng)輸入信號(hào)源阻抗較大時(shí)，設(shè)定當(dāng)BUF=1時(shí)，緩沖器的短路開(kāi)關(guān)開(kāi)路，模擬輸入有緩沖，實(shí)現(xiàn)與輸入信號(hào)源阻抗匹配。
FSYNC：同步濾波/轉(zhuǎn)換啟動(dòng)位。FSYNC=0，開(kāi)始校正或轉(zhuǎn)換，F(xiàn)SYNC=1時(shí)，指示數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的有效數(shù)據(jù)還未被讀取，這時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換停止，數(shù)字濾波器的濾波點(diǎn)、濾波控制邏輯電路、校正控制邏輯電路、以及Σ-Δ調(diào)制轉(zhuǎn)換器保持復(fù)位狀態(tài)，期間
不會(huì)從低電平重置為高電平，直至數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的有效數(shù)據(jù)被讀取。（3）時(shí)鐘寄存器 可讀/寫8位時(shí)鐘寄存器設(shè)定時(shí)鐘、濾波器第一個(gè)陷波頻率和數(shù)據(jù)輸出率，結(jié)構(gòu)如下。
| MXID | ZERO | ZERO | CLKDIS | CLKDIV | CLK | FS1 | FS0 |
MXID、ZERO：MXID（最大標(biāo)識(shí)位）和ZERO（零位）都是只讀位，默認(rèn)值分別為1和0，其值可忽略；CLKDIS：時(shí)鐘失效設(shè)置位，當(dāng)CLKIN和CLKOUT間使用晶體振蕩器時(shí)，設(shè)置CLKDIS=1，使內(nèi)部時(shí)鐘失效，CLKOUT保持低電位，以降低功耗，當(dāng)設(shè)置CLKDIS=0時(shí)，CLKOUT端有時(shí)鐘信號(hào)輸出；
CLKDIV：時(shí)鐘分頻控制位，CLKDIV=0時(shí)，時(shí)鐘頻率等于外部振蕩器頻率，CLKDIV=1時(shí)，時(shí)鐘頻率等于外部振蕩器頻率的2倍；CLK：時(shí)鐘位，CLK=1時(shí)，fCLKIN =2.4576MHz（CLKDIV=0）或fCLKIN=4.9152MHz（CLKDIV=1）。當(dāng)外部時(shí)鐘頻率為1MHz（CLKDIV=0）或2MHz（CLKDIV=1）時(shí)，設(shè)置CLK=0以優(yōu)化性能；FS1, FS0: 濾波器選擇位，決定數(shù)據(jù)輸出率及數(shù)字濾波器截止頻率，
數(shù)字濾波率由CLK、FS1, FS0決定，數(shù)字濾波器的第一陷波頻率由數(shù)字濾波率和時(shí)鐘頻率fCLKIN共同確定，而數(shù)據(jù)輸出率等于濾波器數(shù)字濾波器的第一陷波頻率。數(shù)字濾波器的濾波特性如表3所示。
表3 數(shù)字濾波器的濾波特性
| CLK | FS1 | FS0 | 數(shù)字濾波率 | fCLKIN/MHZ | 輸出數(shù)據(jù)率/HZ（第一陷波頻率） | -3dB截止頻率/HZ |
| 0 | 0 | 0 | 391 | 1 | 20 | 5.24 |
| 0 | 0 | 1 | 313 | 1 | 25 | 6.55 |
| 0 | 1 | 0 | 78 | 1 | 100 | 26.20 |
| 0 | 1 | 1 | 39 | 1 | 200 | 52.40 |
| 1 | 0 | 0 | 384 | 2.4576 | 50 | 13.10 |
| 1 | 0 | 1 | 320 | 2.4576 | 60 | 15.70 |
| 1 | 1 | 0 | 77 | 2.4576 | 250 | 65.50 |
| 1 | 1 | 1 | 38 | 2.4576 | 500 | 131.00 |
3 熱電偶溫度測(cè)量電路
基于MX7705的高精度溫度測(cè)量電路如圖3所示。來(lái)自熱電偶的溫度信號(hào)經(jīng)電感電容濾波，消除熱電偶引線上的噪聲干擾（參見(jiàn)文獻(xiàn)[5]），從通道1的AIN1+—AIN1-差動(dòng)輸入端口接入MX7705，設(shè)定MX7705為緩沖模式，與外電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，MX7705的通道1將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，通道2沒(méi)有使用，差動(dòng)輸入端AIN1+和AIN1-直接接地；三端穩(wěn)壓器件MAX6002為MX7705提供2.5V基準(zhǔn)電壓。
為了對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端（遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)）溫度補(bǔ)償，2N3904和MAX6627（參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]）構(gòu)成數(shù)字溫度傳感器，測(cè)量冷端溫度。溫度傳感器2N3904是一個(gè)NPN型三極管，接成二極管使用，安裝在熱電偶接頭處，測(cè)量熱電偶接頭處的冷端溫度，冷端溫度信號(hào)經(jīng)電容濾波后送給A/D轉(zhuǎn)換器件MAX6627，12位MAX6627的分辨率為0.0625℃，測(cè)量2N3904結(jié)點(diǎn)溫度范圍(-55℃～+145℃)，當(dāng)2N3904結(jié)點(diǎn)溫度0～+125℃, MAX6627芯片環(huán)境溫度+30℃時(shí)，精度為±1℃；當(dāng)2N3904結(jié)點(diǎn)溫度-55℃～+100℃, MAX6627芯片環(huán)境溫度0～+70℃時(shí)，精度為±2.4℃，A/D轉(zhuǎn)換速率0.5秒，內(nèi)帶SPI串行接口，三線制串行數(shù)據(jù)輸出。
微處理器μPC（圖中未畫出）從MX7705讀取熱電偶溫度差，從MAX6627讀取冷端溫度，經(jīng)補(bǔ)償運(yùn)算（相加），即可獲得熱電偶被測(cè)點(diǎn)溫度。
圖3 基于MX7705的熱電偶溫度測(cè)量電路
4 溫度測(cè)量結(jié)果
由圖3所示的熱電偶測(cè)量電路、微處理器和顯示裝置，組成完整的溫度測(cè)量?jī)x表，利用該儀表測(cè)量烤箱溫度，保持烤箱（熱結(jié)點(diǎn)）溫度為+100℃，熱電偶接頭處（冷結(jié)點(diǎn)）溫度變化范圍為-40℃～+85℃，測(cè)量結(jié)果如表4所示。
表4烤箱溫度（+100℃）的實(shí)測(cè)值
| 序號(hào) |
冷結(jié)點(diǎn) 溫度/℃ |
熱結(jié)點(diǎn) 溫度測(cè)量值/℃ |
相對(duì)誤差 |
| 1 | -39.8 | +99.1 | -0.9% |
| 2 | -0.3 | +98.4 | -1.6% |
| 3 | +25.0 | +99.7 | -0.3% |
| 4 | +85.1 | +101.5 | +1.5% |
測(cè)量數(shù)據(jù)表明，冷結(jié)點(diǎn)溫度從-40℃到+85℃變化時(shí)，對(duì)+100℃烤箱溫度的測(cè)量誤差不超過(guò)±1.6℃，相對(duì)誤差不超過(guò)±1.6%。因?yàn)楫?dāng)冷結(jié)點(diǎn)溫度從-55℃到+100℃變化時(shí)，2N3904和MAX6627的測(cè)量精度為±2.4℃，所以烤箱溫度的測(cè)量誤差主要來(lái)源于熱電偶冷結(jié)點(diǎn)溫度的測(cè)量誤差。
5 結(jié)論
本文介紹了高性能A/D轉(zhuǎn)換器MX7705的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了圖3所示的熱電偶測(cè)量電路，該電路具有以下特點(diǎn)：
（1）適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境，冷結(jié)點(diǎn)溫度允許從-55℃到+125℃范圍內(nèi)變化；
（2）穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，冷端溫度測(cè)量電路中，MAX6627遠(yuǎn)離熱電偶接頭處的惡劣環(huán)境，保證了測(cè)量電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命；
（3）設(shè)計(jì)靈活，MX7705具有7個(gè)寄存器，可以對(duì)輸入方式、PGA增益和數(shù)字濾波器特性、數(shù)據(jù)輸出率等靈活編程；
（4）易于和微處理器（μPC）接口，MX7705和MAX6627都具有SPI串行通信接口，可以直接和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器連接；
（5）電路簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，可滿足多數(shù)工業(yè)溫度控制要求。
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，測(cè)量誤差低于±1.6%。若改進(jìn)冷端溫度補(bǔ)償電路，測(cè)量精度會(huì)更高。
其它作者：
楊麗飛(1980-)，女，河南林州市人，助教，在讀碩士，主要從事通信與電子儀器儀表方面的教學(xué)和研究工作。
參考文獻(xiàn)：
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[2] 吳萬(wàn)奮.決速熱電偶測(cè)溫誤差綜述.中國(guó)測(cè)試技術(shù),2006.11:72-74
[3] 李冰,陳峰.微波環(huán)境中熱電偶的溫度測(cè)量研究.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2000.3:54-58
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[5] MICHELLE YOUN, Implementing Cold Junction Compensation in Thermocouple Applications, ECN, 2005.1.3
[6] Maxim Integrated Products, Inc.，MAX6627 Full Data Sheet 19-2032; Rev 3; 2006.04
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)