简述热电偶的测温原理及XTR108芯片原理

张 震,张玉晗

(中国卫星海上测控部远望5号船，江苏 江阴 214431)

0 引言

科学实验中测温的方式有许多种，其中一种方法即利用半导体、合金等材料的电阻随着温度变化而改变的这种特性，通过测量电阻变化量间接地测量温度的变化[1]。将半导体、合金等材料制成的温度测量仪器称为热电阻测温计，这种测温计测量时具有输出信号强、响应快、测量精度高等优点。XTR108芯片主要用于温度传感器或桥式电路，也可用于各种远程RTD传感器、应变计、压力变送器、重量检测环节等。本文主要介绍了铂热电阻的测温原理以及XTR传感器原理，以方便其在智能传感器之中应用。

1 铂热电阻测温原理

1.1 铂热电阻的温度特性

目前，科学实验和工业测试中常用的测温方法为铂电阻测温或铜电阻测温[2]，其中Pt100和Cu50是最广泛使用的，除此之外常用的还有Pt10、Pt20、Pt50、Pt200、Pt300、Pt500、Pt1000、Pt2000等，都是基于铂电阻在0 ℃下的实际电阻值来命名的。本设计应用到的是铂热电阻Pt100。

金属铂热电阻的测温范围通常为-200℃-850℃，电阻和温度之间的线性关系分为0℃以下特性和0℃以上特性。

1) 当温度处于-200℃-0℃时，金属铂热电阻的测温特性公式：

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

2)当温度处于0℃-850℃时，金属铂热电阻的测温特性公式：

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

式中：R0为0 ℃时金属铂热电阻的实际阻值(Ω)；Rt为t ℃时金属铂热电阻的实际阻值(Ω)；T为已知被测温度(℃)；A为常量，参考值为3.9083×10-3；B为常量，参考值为-5.775×10-7；C常量，参考值为-4.183×10-12。

1.2 铂热电阻测温连接方式

铂热电阻[3]是将温度变化转化为电阻值变化的电气元件。一般地，铂热电阻的阻值改变量以信号的形式通过导线传输给机控室或其他仪器。目前测温导线和铂热电阻连接的方式主要分为三种：

1) 二线制：在铂热电阻的首端、尾端分别连接引线的测量方法称为二线制测量法，这种接线制方法较简单，但由于连接现场与机控室的导线存在导体电阻R的因素(R的大小与材料、长度有关)，故这种方法只适合测量精度要求较低的场合。

2) 三线制：在铂热电阻的首端连接一根引线，尾端连接两根导线的方式称为三线(通常与电桥配套使用)，三线制可有效地减小导线电阻的误差，故这种方法最常用于工业生产过程中。

3) 四线制：在铂热电阻的首端及尾端各接两根引线的接线制称为四线制，其两根导线为铂热电阻供稳定电流I，将电阻转变为电压信号U，其他两根导线将电压信号U引至二次仪表。四线制可完全消除导线电阻对测量的影响，故其主要应用于精度较高的温度测量。

实际检测现场加装工业铂热电阻时，现场与机控室之间有一定传输距离，连接铂热电阻的导线会对测试结果产生较大的误差，故本设计应用的是三线制连接方式，从而减少相对误差。

2 XTR108芯片简介

2.1 芯片功能与结构

芯片SPI数字通信接口与标准SPI总线兼容，用户可以直接通过SPI串行通信接口，对模拟信号的零点数值和非线性系数进行校准。芯片上电后将自动从外部EEPROM读取XTR108内部寄存器需要的参数。具体的XTR108芯片[4]内部结构如图1所示。

图1 XTR108内部结构图

2.2 模拟信号处理部分

1) 输入/输出复用管脚

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XTR108[5]共有6个模拟信号输入/输出复用管脚。Iret输出和PGA输入可以分别连接到任何一个V/I管脚处，若输入电压在限制的范围之内，Iret和PGA都可以连接到同一管脚上，这使得XTR108芯片的激励输出Iret和PGA输入配置更灵活。

2) 可编程增益放大器PGA

XTR108内部的PGA可以设置为总共七档不同的电压增益，放大倍数可为6.25/2.5/25/50/100/200/400V/V，增益的设置取决于量程的选择。且PGA内部有高精度自稳设计，可以实现较高的激励输出精度，但也是由于存在自稳定电路，PGA在增益过大时会产生较难消除的干扰纹波，所以实际使用时需要在Cfliter和Iret之间添加一个0.01μF的滤波电容，该滤波电容可低通滤波，对1.5 kHz的信号有一个-3db的衰减效果。

3) 激励电流和零点粗/细调

实际应用XTR108芯片时，电阻和传感器的参数不匹配或被测元件的非理想化都会使PGA在输出上产生零点偏移，因此XTR108芯片内部设置了激励电流与零点双向控制的数模转换器(粗调DAC和微调DAC)，内置的寄存器都是8位。激励电流DAC与零点DAC同理。

3 寄存器

3.1 芯片内部寄存器

XTR108内部有16个寄存器。

寄存器0(控制寄存器1)：用于复位芯片和检测检验和是否正确。RST置1时芯片复位，CSE表示检验和是否正确，该位只读，检验和错误时CSE置1。

寄存器1、2：空。

寄存器3(错误状态寄存器)：反相输入端超过电压上限F0置1，反相输入端低于电压下限F1置1，同相输入端超过电压上限F2置1，同相输入端低于电压下限F3置1。

寄存器4(控制寄存器2)：RBD置1时，XTR108芯片刚上电时就从EEPROM读写数据；RBD为0时，CS1释放XTR108从EEPROM中读取相应值并覆盖寄存器的值。

寄存器5(上下限寄存器)：PGA的输入超过最大电压时，I0会输出上限报警电流；若小于，则I0会输出下限报警电流。FD置1禁用报警。

寄存器6(PGA增益控制寄存器)：设置PGA增益大小。

寄存器7(警告配置寄存器)：PGA输入超范围的具体状态。

寄存器8(PGA输入配置寄存器)：设定V/I0-5的引脚连接到PGA同相或反相端。

寄存器9(激励电流Iref输出配置寄存器)：设定激励电流具体连到哪个引脚上。

寄存器10/11(Iref细/粗调寄存器)：Iref设定大小。

寄存器12/13(零点细/粗调寄存器)：调节零点电流。

寄存器14(线性化调整寄存器)。

寄存器15(检验和寄存器)。

3.2 串行通信

XTR108芯片支持串行SPI接口通信，上位机或单片机可通过SCLK、SDIO、CS1、CS2等管脚进行读写操作，传输时高位(MSB)需在前，低位(LSB)在后。数据传输以一字节为单位传输，如果芯片被读写，则第一个字节的最高位为写命令(0)或读命令(1)，低四位A0-A3是与地址为0-15的数据寄存器相对应的寄存器地址，其余位为0。从第二个字节开始，数据在SCLK下降沿时从SDI0引脚输出，SCLK上升沿引脚加载SDI0引脚数据。如果需写入多个数据，则写入第一个数据后，寄存器地址将增加1，下一个数据被写入相应的寄存器。CS1、CS2是XTR108芯片的芯片选择线，低电平有效。

如果单片机对EEPROM进行读写操作，第一个输入的字节必须为0X7F，此时CS2产生下降沿选择EEPROM，单片机随后可以对EEPROM进行读写操作，XTR108芯片将忽略SDI0上的所有数据。

XTR108上电后，会自动读取外部EEPROM内的相应数据，本设计EEPROM选择的是Atmel公司的AT25010芯片，XTR108从EEPROM地址4-15中读取数据覆盖芯片内部4-15寄存器。

4 结束语

本文主要介绍了热电偶的测温原理，并介绍了XTR108芯片的工作原理及内部寄存器使用方式，为硬件电路的设计提供了重要的依据。