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（安陽工學院電氣工程系，河南 安陽 455000）馬金元, 楊麗飛
馬金元（1966—）
男，河南林州市人，副教授，碩士，主要從事檢測與控制方面的教學和研究工作。
1 引言
溫度是工業生產和科學實驗中一個非常重要的過程參數，溫度傳感器有多種類型，常用的溫度測量器件有熱敏電阻（NTC）、鉑電阻溫度探測器（RTD）、半導體器件溫度傳感器、以及熱電偶等，各有其優缺點，適用于不同的應用場合，參見文獻[1-3]，RTD是金屬傳感器，有良好的線性度和高溫穩定性，RTD和溫度傳感器IC具有高靈敏度和高精度的優點，可以很理想地用于精確測量系統，但存在成本高，測量電路復雜等缺點；熱電偶具有測量溫度范圍寬，低價位，性價比高，易使用，魯棒性、可靠性高，響應時間快等優點，是各種工作環境下的首選，但是，熱電偶在溫度測量中也存在線性度較差、需要專用導線和冷端補償、信號電平低等缺點。本文針對熱電偶的上述不足，設計了基于MX7705的高精度溫度測量電路，該測量電路具有性價比高、環境適應性強、編程設計靈活、且易于和微處理器（μPC）接口等優點，可滿足多數工業溫度控制要求。
2 MX7705功能介紹
MX7705是美國Maxim公司2005年底推出的低功率、高性能A/D轉換器，參見文獻[4]，該芯片16個管腳，雙通道差動輸入、16位串行輸出，采用Σ-Δ轉換結構，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、動態范圍寬，其內部結構框圖如圖1所示，包括輸入通道選擇開關網絡、輸入緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、Σ-Δ調制器、數字濾波器、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，輸入信號允許單極性或雙極性設置，緩沖器使輸入級與高阻抗信號源相匹配，PGA增益和偏移誤差具有自校正和系統校正功能，片上數字濾波器的截止頻率和數據輸出率可編程，在第一個陷波點（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易地連接到工業標準的微處理器上，對MX7705的串行讀取可以訪問輸出寄存器、控制寄存器或校準寄存器的數據，串行寫可以將數據寫入控制和校準寄存器。PGA和數字濾波器使該芯片非常適合于對寬動態范圍、低頻、弱信號的直接測量，即非常適合對熱電偶輸出模擬信號的直接采集，并且使信號調理電路最簡化。
圖1 MX7055內部結構框圖
MX7705擁有7個內部寄存器，供串行口訪問，如圖2所示，這7個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，以及訪問哪一個寄存器；設置寄存器控制校正模式、增益設定、單極性/雙極性輸入、緩沖/非緩沖方式；時鐘寄存器設定數字濾波器特性時鐘控制字節；數據寄存器保存輸出數據；偏移/增益寄存器儲存校正系數；測試寄存器只用于芯片測試。
圖2 MX7705內部寄存器
（1）通信寄存器 可讀/寫8位通信寄存器的結構如下。
 |
RS2 | RS1 | RS0 | R/W | PD | CH1 | CH0 |
：寫啟動/狀態指示位。=0時，啟動通信寄存器寫操作；讀操作時,=1，直到完成轉換，并且數據準備就緒時，變為0，當新的數據已被讀取，并且下一次轉換尚未完成時,變為1。RS2、RS1、RS0：寄存器選擇位。確定下一步將訪問哪一個寄存器。
R/W：讀/寫選擇位。R/W=0，對被選寄存器寫操作，R/W=1，對被選寄存器讀操作；PD：掉電控制位；CH0、CH1:通道選擇位。00時對應AIN1+-AIN1-差動輸入，01時對應AIN2+-AIN2-差動輸入，10時對應AIN1-單極性輸入，11時對應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 | 設定寄存器 |
| 0 | 1 | 0 | 時鐘寄存器 |
| 0 | 1 | 1 | 數據寄存器 |
| 1 | 0 | 0 | 測試寄存器 |
| 1 | 0 | 1 | 不操作 |
| 1 | 1 | 0 | 偏移寄存器 |
| 1 | 1 | 1 | 增益寄存器 |
（2）設定寄存器 可讀/寫8位設定寄存器設定校正模式、PGA增益、單極性/雙極性模式、緩沖使能和轉換啟動，結構如下。
| MD1 | MD0 | G2 | G1 | G0 | B/U | BUF-EN | FSYNC |
MD1，MD0：模式設定位，包括正常操作模式、自校正、零度校正、滿度校正。
表2 操作模式設定
| MD1 | MD0 | 操作模式 |
| 0 | 0 | 正常轉換模式 |
| 0 | 1 | 自校正模式 |
| 1 | 0 | 零度系統校正模式 |
| 1 | 1 | 滿度系統校正模式 |
自校正模式完成對CH0、CH1所選通道的自校正，自校正結束后，器件自動恢復到正常模式（MD1=0 MD0=0）。自校正期間,
變為高電平，首先，模擬輸入端在器件內部被短路，進行零度校正，以補償直流偏移電壓，確保等效模擬輸入電壓不超過1/2 LSB；其次，模擬輸入端在器件內部連接相應的滿度參考電壓（VREF/增益），進行滿度校正，確保滿度輸入誤差不超過1/2 LSB，偏移/增益寄存器將自動更新校正數據，當完成自校正并且新的數據存入數據寄存器后,恢復為低電平。G2,G1,G0：PGA增益設定位。G2,G1,G0從安二進制000遞增至111，PGA增益從20=1遞增至27=128。
B/U：單極性/雙極性輸入模式設定位。B/U=0時，雙極性輸入，B/U=1時，單極性輸入。
BUF：緩沖使能位。當輸入信號源阻抗較低時，設定BUF=0，緩沖器的短路開關閉合，模擬輸入無緩沖，以降低MX7705的功率消耗，當輸入信號源阻抗較大時，設定當BUF=1時，緩沖器的短路開關開路，模擬輸入有緩沖，實現與輸入信號源阻抗匹配。
FSYNC：同步濾波/轉換啟動位。FSYNC=0，開始校正或轉換，FSYNC=1時，指示數據寄存器內的有效數據還未被讀取，這時，數據轉換停止，數字濾波器的濾波點、濾波控制邏輯電路、校正控制邏輯電路、以及Σ-Δ調制轉換器保持復位狀態，期間
不會從低電平重置為高電平，直至數據寄存器內的有效數據被讀取。（3）時鐘寄存器 可讀/寫8位時鐘寄存器設定時鐘、濾波器第一個陷波頻率和數據輸出率，結構如下。
| MXID | ZERO | ZERO | CLKDIS | CLKDIV | CLK | FS1 | FS0 |
MXID、ZERO：MXID（最大標識位）和ZERO（零位）都是只讀位，默認值分別為1和0，其值可忽略；CLKDIS：時鐘失效設置位，當CLKIN和CLKOUT間使用晶體振蕩器時，設置CLKDIS=1，使內部時鐘失效，CLKOUT保持低電位，以降低功耗，當設置CLKDIS=0時，CLKOUT端有時鐘信號輸出；
CLKDIV：時鐘分頻控制位，CLKDIV=0時，時鐘頻率等于外部振蕩器頻率，CLKDIV=1時，時鐘頻率等于外部振蕩器頻率的2倍；CLK：時鐘位，CLK=1時，fCLKIN =2.4576MHz（CLKDIV=0）或fCLKIN=4.9152MHz（CLKDIV=1）。當外部時鐘頻率為1MHz（CLKDIV=0）或2MHz（CLKDIV=1）時，設置CLK=0以優化性能；FS1, FS0: 濾波器選擇位，決定數據輸出率及數字濾波器截止頻率，
數字濾波率由CLK、FS1, FS0決定，數字濾波器的第一陷波頻率由數字濾波率和時鐘頻率fCLKIN共同確定，而數據輸出率等于濾波器數字濾波器的第一陷波頻率。數字濾波器的濾波特性如表3所示。
表3 數字濾波器的濾波特性
| CLK | FS1 | FS0 | 數字濾波率 | fCLKIN/MHZ | 輸出數據率/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 熱電偶溫度測量電路
基于MX7705的高精度溫度測量電路如圖3所示。來自熱電偶的溫度信號經電感電容濾波，消除熱電偶引線上的噪聲干擾（參見文獻[5]），從通道1的AIN1+—AIN1-差動輸入端口接入MX7705，設定MX7705為緩沖模式，與外電路實現阻抗匹配，MX7705的通道1將熱電偶電壓轉換成數字輸出，通道2沒有使用，差動輸入端AIN1+和AIN1-直接接地；三端穩壓器件MAX6002為MX7705提供2.5V基準電壓。
為了對熱電偶進行冷端（遠結點）溫度補償，2N3904和MAX6627（參見文獻[6]）構成數字溫度傳感器，測量冷端溫度。溫度傳感器2N3904是一個NPN型三極管，接成二極管使用，安裝在熱電偶接頭處，測量熱電偶接頭處的冷端溫度，冷端溫度信號經電容濾波后送給A/D轉換器件MAX6627，12位MAX6627的分辨率為0.0625℃，測量2N3904結點溫度范圍(-55℃～+145℃)，當2N3904結點溫度0～+125℃, MAX6627芯片環境溫度+30℃時，精度為±1℃；當2N3904結點溫度-55℃～+100℃, MAX6627芯片環境溫度0～+70℃時，精度為±2.4℃，A/D轉換速率0.5秒，內帶SPI串行接口，三線制串行數據輸出。
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，經補償運算（相加），即可獲得熱電偶被測點溫度。
圖3 基于MX7705的熱電偶溫度測量電路
4 溫度測量結果
由圖3所示的熱電偶測量電路、微處理器和顯示裝置，組成完整的溫度測量儀表，利用該儀表測量烤箱溫度，保持烤箱（熱結點）溫度為+100℃，熱電偶接頭處（冷結點）溫度變化范圍為-40℃～+85℃，測量結果如表4所示。
表4烤箱溫度（+100℃）的實測值
| 序號 |
冷結點 溫度/℃ |
熱結點 溫度測量值/℃ |
相對誤差 |
| 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% |
測量數據表明，冷結點溫度從-40℃到+85℃變化時，對+100℃烤箱溫度的測量誤差不超過±1.6℃，相對誤差不超過±1.6%。因為當冷結點溫度從-55℃到+100℃變化時，2N3904和MAX6627的測量精度為±2.4℃，所以烤箱溫度的測量誤差主要來源于熱電偶冷結點溫度的測量誤差。
5 結論
本文介紹了高性能A/D轉換器MX7705的結構和特點，設計了圖3所示的熱電偶測量電路，該電路具有以下特點：
（1）適應各種應用環境，冷結點溫度允許從-55℃到+125℃范圍內變化；
（2）穩定性好，使用壽命長，冷端溫度測量電路中，MAX6627遠離熱電偶接頭處的惡劣環境，保證了測量電路的長期穩定性和使用壽命；
（3）設計靈活，MX7705具有7個寄存器，可以對輸入方式、PGA增益和數字濾波器特性、數據輸出率等靈活編程；
（4）易于和微處理器（μPC）接口，MX7705和MAX6627都具有SPI串行通信接口，可以直接和工業標準的微處理器連接；
（5）電路簡單，性價比高，可滿足多數工業溫度控制要求。
實測數據表明，測量誤差低于±1.6%。若改進冷端溫度補償電路，測量精度會更高。
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和研究工作。
參考文獻：
[1] 李香龍,孟凡鳳,汲勝昌,李彥明.電纜溫度測量用的數字式熱電偶溫度計.電子技術, 2006,11:63-66
[2] 吳萬奮.決速熱電偶測溫誤差綜述.中國測試技術,2006.11:72-74
[3] 李冰,陳峰.微波環境中熱電偶的溫度測量研究.華南理工大學學報(自然科學版), 2000.3:54-58
[4] Maxim Integrated Products, Inc.，MX7705 Full Data Sheet 19-3051; Rev 2; 2005.12
[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：11010802023656號