設(shè)計說明

該電路設(shè)計描述了一個使用精密模擬溫度傳感器和 16 位 ADC 的溫度測量電路。LMT70 溫度傳感器的輸出電壓在 –55°C 至 150°C 范圍內(nèi)隨溫度變化而變化，并且在遠(yuǎn)離 ADC 放置時可用于遠(yuǎn)程測量。ADS1115 ADC 用于測量 LMT70 的輸出電壓。利用 ADC 的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，該電路可作為一種緊湊的低功耗解決方案來精確測量溫度。該設(shè)計包含用于配置器件的 ADC 寄存器設(shè)置以及用于配置和讀取器件的偽代碼。此電路可用于 PLC 模擬輸入模塊、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場儀表 以及工廠自動化和控制 等應(yīng)用中。

設(shè)計說明

1. 對電源使用電源去耦電容器。必須使用連接到 GND 的至少為 0.1μF 的電容器對 VDD 進(jìn)行去耦。有關(guān)電源相關(guān)建議的詳細(xì)信息，請參閱《具有內(nèi)部基準(zhǔn)、振蕩器和可編程比較器且兼容 I²C 的 ADS111x 超小型、低功耗、860SPS、16 位 ADC》 和《LMT70、LMT70A ±0.05°C 高精度模擬溫度傳感器、RTD 和高精度 NTC 熱敏電阻 IC》 數(shù)據(jù)表。
2. 如果可能，使用 C0G (NPO) 陶瓷電容器進(jìn)行輸入濾波。這些電容器中使用的電介質(zhì)可在電壓、頻率和溫度變化時提供最穩(wěn)定的電氣特性。由于尺寸的原因，這可能并不總是實(shí)用，X7R 電容器是下一個最佳選擇。
3. 參閱 LMT70 數(shù)據(jù)表，也可找到有關(guān)本應(yīng)用手冊所示溫度傳感器轉(zhuǎn)換表和溫度傳遞函數(shù)的更多詳細(xì)信息。
4. LMT70 的推薦工作溫度范圍為 –55°C 至 150°C，而 ADS1115 的工作溫度范圍為 –40°C 至 125°C。如需使用 LMT70 的完整工作溫度范圍，則應(yīng)將該器件放在遠(yuǎn)離 ADC 的位置。
5. 該電路設(shè)計顯示了 LMT70 連接到 ADS1115 的 AIN0 用于單端測量，而其余三個輸入通道可用于其他測量。如果僅使用溫度傳感器進(jìn)行測量，則可以使用 ADS1114，將 AIN0 連接到 LMT70，并將 AIN1 接地。
6. 如果 ADC 可支持較低的分辨率，則可以用 ADS1015 或 TLA2024 代替。這兩款器件與 ADS1115 類似，通過 I²C 進(jìn)行通信，并使用類似的配置寄存器。如需進(jìn)行 SPI 通信，可以用 ADS1118 或 ADS1018 代替。
7. 該應(yīng)用電路可用于熱電偶冷端測量。更多有關(guān)熱電偶測量的信息，請參閱《熱電偶測量基本指南》。

元件選型

1. 確定溫度傳感器的工作范圍。

   LMT70 的溫度測量范圍為 –55°C 至 150°C。在此溫度范圍內(nèi)，LMT70 的輸出電壓在 1375mV 至 303mV 之間變化，具有負(fù)溫度斜率。該范圍用于在 ADC 的滿量程范圍條件下，最大限度地提高測量的分辨率。下圖中顯示了 LMT70 輸出傳遞函數(shù)。

   

   并非如肉眼所見，LMT70 的輸出傳遞函數(shù)不是線性的。需要從查找表中進(jìn)行插值或根據(jù)多項(xiàng)式方程進(jìn)行計算來準(zhǔn)確確定溫度。

2. 確定 ADC 的增益和輸入范圍。

   ADS1115 具有通過縮放電容采樣實(shí)現(xiàn)的可編程增益放大器 (PGA)，這并非真正的放大器。通過此 PGA，輸入范圍可擴(kuò)展為整個電源范圍，并為 ADC 提供六個不同的滿量程范圍 (FSR) 設(shè)置選項(xiàng)。

   如前所述，當(dāng)溫度測量范圍為 –55°C 至 150°C 時，LMT70 的輸出范圍為 1375mV 至 303mV。為了最大限度地提高分辨率，請選擇包含該溫度測量范圍的最小 ADC 滿量程范圍。在此測量范圍內(nèi)，ADC FSR 可設(shè)置為 ±2.048V。在 –55°C 時，ADC 輸出代碼將讀取十進(jìn)制的 55F4h 或 22004，而在 150°C 時將讀取十進(jìn)制的 12Edh 或 4845。使用此設(shè)置，溫度測量值將為 17159 個代碼。由此得出的基本分辨率為每個代碼 0.012°C。

   如果溫度測量范圍將最低溫度限制為 15°C，則 LMT70 的輸出電壓限值為 1.024V。在此限值下，ADC FSR 范圍可以設(shè)置為 ±1.024V，從而最大限度地提高 ADC 的分辨率。

   ADS1115 16 位 ADC 會以差分方式報告數(shù)據(jù)。即使使用 ADC 進(jìn)行單端測量，ADC 也會將數(shù)據(jù)報告為差分?jǐn)?shù)據(jù)。單端測量具有 15 位的分辨率。

3. 對 ADC 輸入進(jìn)行濾波時的選值。

   通常，ADC 輸入采用基本 RC 濾波電路。如果存在輸入濾波，ADC 的輸入電流會受串聯(lián)濾波器電阻影響而產(chǎn)生誤差。對于 ADS1115 器件，輸入電流建模為等效差分和共模輸入阻抗。當(dāng)負(fù)輸入接地時，等效輸入阻抗可以近似為并聯(lián)的差分和共模阻抗。

   使用 ±2.048V 的 FSR 時，ADS1115 差分輸入阻抗為 4.9MΩ，共模阻抗為 6MΩ。等效輸入阻抗約為 2.7MΩ。如果串聯(lián)濾波器電阻遠(yuǎn)小于等效輸入阻抗，則測量的增益誤差不受濾波影響。

   對于 Σ-Δ 型 ADC（如 ADS1115），輸入濾波的帶寬設(shè)置為至少是數(shù)據(jù)速率的 10 倍。如果 ADS1115 以 860SPS 的最高數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，則輸入濾波器可以設(shè)置為高于 8.6kHz。LMT70 可以驅(qū)動有限的電容，其數(shù)據(jù)表為串聯(lián)電阻和不同負(fù)載電容的組合提供了具體指導(dǎo)。對于合適的濾波器，請使用 R_S = 3kΩ 和 C_LOAD = 4.7nF，并將輸入濾波帶寬設(shè)置為 11.3kHz。如果使用不同的數(shù)據(jù)速率，或使用 ADS1015 或 TLA2024，則可以針對不同的數(shù)據(jù)速率重新計算此帶寬。無論如何，都請遵循 LMT70 器件的容性負(fù)載驅(qū)動指南，如數(shù)據(jù)表中所述。

配置寄存器設(shè)置

配置寄存器會設(shè)置 ADC 的操作模式和配置。配置包括前面各節(jié)中描述的所有設(shè)置。在 16 個位之間使用九個字段來配置器件。下表顯示了配置寄存器字段描述以及位名稱和位置、讀寫用法和復(fù)位值。

OS 位會設(shè)置操作狀態(tài)并啟動單次轉(zhuǎn)換。MUX[2:0] 位會設(shè)置輸入多路復(fù)用器以選擇模擬輸入。MODE 位會將器件設(shè)置為單沖轉(zhuǎn)換模式。DR[2:0] 位會設(shè)置器件的數(shù)據(jù)速率。其余字段用于本設(shè)計中未使用的 ADC 比較器設(shè)置。更多有關(guān)配置寄存器的詳細(xì)信息，請參閱《具有內(nèi)部基準(zhǔn)、振蕩器和可編程比較器且兼容 I²C 的 ADS111x 超小型、低功耗、860SPS、16 位 ADC》 數(shù)據(jù)表。

對于此應(yīng)用，使用一個 ADC 通道來測量 LMT70。多路復(fù)用器設(shè)置為測量 AIN0 到 GND，F(xiàn)SR 設(shè)置為 ±2.048V，數(shù)據(jù)速率設(shè)置為 860SPS。ADS1115 中配置寄存器字段的設(shè)置如下表所示。

結(jié)合字段描述中的這些位，配置寄存器值為 1100 0101 1110 0011 或 C5E3h。

ADS1115 的通道循環(huán)

ADS1115 具有四個模擬輸入通道，它們來自連接到 ADC 的可配置多路復(fù)用器。LMT70 溫度測量僅在 ADS1115 通道連接到 AIN0 時進(jìn)行，而 AIN1、AIN2 和 AIN3 的輸入可用于交替測量。

若要循環(huán)使用 ADS1115 系統(tǒng)的每個通道，需逐一啟動每個通道的轉(zhuǎn)換過程，等待轉(zhuǎn)換完成，然后讀回數(shù)據(jù)。然后，開始下個通道的轉(zhuǎn)換過程。對系統(tǒng)中的所有四個輸入重復(fù)此序列，即可循環(huán)使用所有通道。寫入配置寄存器會啟動轉(zhuǎn)換并將 ADC 配置為正確的運(yùn)行模式。通信從寫入器件的 I²C 從器件地址開始。I²C 寫入后跟三個字節(jié)。第一個字節(jié)是 01h，用以指示配置寄存器。接下來的兩個字節(jié)是寫入配置寄存器的數(shù)據(jù)。四個字節(jié)的完整通信如下表所示。

然后，主器件等待轉(zhuǎn)換完成。在本示例中，ADS1115 器件設(shè)置為最快的數(shù)據(jù)速率 860SPS。該器件使用內(nèi)部振蕩器，因此數(shù)據(jù)速率存在一些變化。為確保在 ADC 完成轉(zhuǎn)換后讀取器件，微控制器需等待轉(zhuǎn)換完成所需的最長時間。該等待時間是標(biāo)稱數(shù)據(jù)周期加上 10%（用以補(bǔ)償器件的內(nèi)部振蕩器變化）。對于每次單沖轉(zhuǎn)換，ADC 喚醒時間都額外增加 20μs。使用以下公式計算總等待時間。

例如，如果器件以 860SPS 運(yùn)行，則標(biāo)稱數(shù)據(jù)周期為 1.16ms。所需的等待時間將為：

讀取器件從寫入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器 (00h) 的寄存器指針開始，然后從同一 I²C 地址再次讀取兩個字節(jié)。下面顯示了在配置 ADC 之后讀取 LMT70 測量數(shù)據(jù)。五個字節(jié)的完整通信如下表所示。

其他 ADS1115 通道可以通過重復(fù)此序列以任意順序循環(huán)。通過設(shè)置配置寄存器來收集數(shù)據(jù)，等待轉(zhuǎn)換完成，然后讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

測量轉(zhuǎn)換

根據(jù) ADC 的滿量程范圍設(shè)置，溫度傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換相對簡單。使用以下公式計算 LMT70 器件的輸出電壓：

下面是電氣特性溫度查找表。利用以下查找表進(jìn)行插值，可以將電壓測量值轉(zhuǎn)換為溫度。

作為替代方案，LMT70 的輸出電壓可以用二階傳遞函數(shù)建模。使用最小二乘和方法，使用上表中的值生成最佳擬合二階傳遞函數(shù)。–10°C 至 110°C 的有限溫度范圍可用于生成具有一組系數(shù)的準(zhǔn)確傳遞函數(shù)。在 –55°C 至 +150°C 的整個溫度范圍內(nèi)，單個二階傳遞函數(shù)會增加極端溫度下的誤差，并且需要一組不同的系數(shù)。以下公式顯示了傳遞函數(shù)：

其中：

VTAO 以 mV 表示，T_M 以 °C 表示。有關(guān)轉(zhuǎn)換方法的更深入討論，請查看 LMT70 數(shù)據(jù)表。

偽代碼示例

以下示例顯示了偽代碼序列以及設(shè)置器件和微控制器所需的步驟，該微控制器與 ADC 相連，以便在單沖轉(zhuǎn)換模式下從 ADS1115 獲取后續(xù)讀數(shù)。ADC 首先讀取的是 LMT70 溫度傳感器，使用 AIN0 通道。使用最大數(shù)據(jù)周期獲取數(shù)據(jù)，留出喚醒器件、配置 ADC、進(jìn)行單次轉(zhuǎn)換和設(shè)置其他 ADC 測量的時間。其他測量通道以類似方式用于寫入配置寄存器和開始轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換完成，然后回讀轉(zhuǎn)換。

 
Configure microcontroller for I2C communication, I2C address=1001000 (48h)
Loop
{
Send 90h 01h C5h E3h //
// 開始寫入地址 48h，寫入第 0 位 (90h)
// 配置寄存器 01h
// 設(shè)置 C1E3h，AIN0-GND，F(xiàn)SR=±2.048V，單沖轉(zhuǎn)換，DR=860SPS，停止
Wait 1.30ms // 等待數(shù)據(jù)周期，+10% 補(bǔ)償內(nèi)部振蕩器變化，+20us
Send 90h 00h 91h xxh xxh // 讀回 ADC 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
// 開始寫入地址 48h，寫入第 0 位 (90h)
// 轉(zhuǎn)換寄存器 00h，停止
// 開始從地址 48h 讀取，讀取第 1 位 (91h)
// 讀回 2 個字節(jié)，停止
// 從 AIN1、AIN2 和 AIN3 的測量（可選）
 Send configuration for channel 1
Wait for conversion to complete
Read channel 1
Send configuration for channel 2
Wait for conversion to complete
Read channel 2
Send configuration for channel 3
Wait for conversion to complete
Read channel 3
}
  

更多有關(guān) ADS1115 配置的詳細(xì)信息，請參閱數(shù)據(jù)表或《具有 16 個單端通道和 I²C 接口的精密測量電路》。

布局示例

下面顯示了 LMT70 和 ADS1115 器件的示例布局。使用 0402 電阻器和電容器添加 RC 輸入濾波。生成的布局約為 200mil×240mil。此測量不會考慮 I²C 上拉電阻器。每個系統(tǒng)都需要一套此類電阻器。

設(shè)計中采用的器件

設(shè)計參考資料

請參閱《模擬工程師電路設(shè)計指導(dǎo)手冊》，了解 TI 的綜合電路庫。

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TI e2e.ti.com