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在工业自动化控制、实验室精密测量及 PLC 模拟量采集等场景中，温度作为核心物理量，其测量精度直接影响系统的控制效果与数据可靠性。

K 型热电偶因具备宽测温范围（-270°C~1370°C）、良好的稳定性及成本优势，成为中高温测量的首选器件。

然而，热电偶输出电压微弱（仅 - 6.5mV~55mV）、易受噪声干扰，且冷端温度漂移会引入显著误差，这对信号采集电路的精度和抗干扰能力提出了严苛要求。

本文基于 TI 公司的 ADS1120 精密 ADC，设计了一套集成冷端补偿、故障检测功能的 K 型热电偶测量系统，通过软硬件协同优化，实现了高精度、高可靠性的温度测量。

系统硬件架构主要包括 K 型热电偶探头、信号调理电路（偏置电阻、滤波电路）、ADS1120 ADC 模块、MCU 控制单元四部分。

热电偶输出的差分热电势经偏置电路设置直流工作点后，通过滤波电路抑制干扰，进入 ADS1120 的模拟输入通道；ADS1120 内置 PGA 放大信号后，由 Δ-Σ 调制器完成模数转换；MCU 通过 SPI 接口读取 ADC 数据，结合内部温度传感器的冷端温度数据，完成冷端补偿计算，最终输出真实温度值。同时，电路设计了热电偶烧毁检测功能，提升系统的可靠性。

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硬件设计要点

电源与去耦设计

模拟电路与数字电路的电源干扰是影响 ADC 测量精度的重要因素。ADS1120 的模拟电源（AVDD）和数字电源（DVDD）均采用 3.3V 供电，为确保电源稳定性，必须在 AVDD 和 DVDD 引脚附近并联至少 0.1μF 的陶瓷去耦电容，且电容需直接连接到对应地（AGND/DGND），缩短电源回路，抑制高频噪声耦合。

实际布局中，模拟地与数字地应单点连接，避免地环路干扰。

偏置电阻与故障检测设计

热电偶作为差分信号源，需通过偏置电阻确立直流工作点，同时实现烧毁检测功能。

设计中采用两个 1MΩ 高精度电阻，分别从热电偶的正负极（AINP/AINN）连接到 AVDD 和 AVSS，使热电偶的直流偏置点稳定在 1.65V（1/2 AVDD），确保输入信号处于 PGA 的共模输入范围内。

当热电偶正常工作时，偏置电阻的电流仅为 1.65μA，远小于热电偶的允许电流，不会引入显著误差；若热电偶烧毁开路，偏置电阻会克服 ADS1120 的输入电流（典型值 250nA），使 ADC 输入电压计算为：

该电压远超 ADC 正满量程，ADC 输出 7FFFh，MCU 可通过该特征值判断热电偶故障，实现实时故障检测。

输入滤波电路设计

工业环境中存在的 50Hz/60Hz 工频干扰及高频噪声会严重影响测量精度，因此需设计差分与共模滤波电路。

本设计采用 RC 滤波方案，差分滤波由两个 800Ω 串联电阻和 0.47μF 差分电容组成，共模滤波则采用 0.047μF 共模电容。

滤波带宽需与 ADC 数据速率匹配，设计中选择 20SPS 的数据速率，根据公式计算滤波带宽：

差分滤波带宽为 330Hz（高于数据速率 10 倍以上），共模滤波带宽为 4.2kHz，确保差分信号有效传输的同时，抑制共模干扰。

滤波电容优先选择 C0G（NPO）陶瓷电容，其介电特性在电压、温度变化时稳定性最优，若受尺寸限制，可选用 X7R 电容作为次优方案。

冷端补偿硬件实现

冷端补偿是热电偶测量的核心技术，其精度直接决定系统整体测量精度。

本设计利用 ADS1120 内置的温度传感器测量冷端温度，该传感器与热电偶冷端通过等温块实现良好热接触，确保测量的冷端温度与实际冷端温度一致。

ADS1120 内置温度传感器的测量范围覆盖 0°C~75°C，典型精度 0.25°C，完全满足工业场景中冷端温度的测量需求。

若应用场景冷端温度超出该范围，可通过 ADS1120 的 AIN2/AIN3 通道外接 LMT70 或 RTD 传感器，利用器件内置的 IDAC 电流源激励传感器，实现宽范围冷端温度测量。

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软件实现方案

ADC 寄存器配置

ADS1120 的工作模式、增益、数据速率等参数通过配置寄存器设置，需分别针对热电偶测量和冷端温度测量配置不同参数：

（1）热电偶测量配置（测量值 1）

• 配置寄存器 0：选择 AIN0 为正输入、AIN1 为负输入，PGA 增益设置为 32 倍，启用 PGA；

• 配置寄存器 1：数据速率 20SPS，正常模式，单次转换模式，禁用温度传感器和烧毁电流源；

• 配置寄存器 2：选择内部 2.048V 基准，启用 50Hz/60Hz 同步抑制，禁用 PSW 和 IDAC；

• 配置寄存器 3：仅通过 DRDY 引脚指示数据就绪，禁用 IDAC。

（2）冷端温度测量配置（测量值 2）

• 配置寄存器 1：数据速率 20SPS，正常模式，单次转换模式，启用温度传感器（绕过 PGA，增益设为 1），禁用烧毁电流源；

• 其他寄存器配置与热电偶测量一致。

SPI 通信与数据读取

MCU 与 ADS1120 采用 SPI 模式 1（CPOL=0，CPHA=1）通信，数据读取流程如下：

• MCU 拉低 CS 引脚，发送 WREG 命令（43h）配置寄存器，随后发送 4 字节配置数据；
• 配置完成后拉高 CS，发送 START/SYNC 命令（08h）启动转换；
• 等待 DRDY 引脚拉低（20SPS 速率下约 50ms，预留 2% 误差，等待 51ms）；
• 拉低 CS，发送 RDATA 命令（10h），读取 16 位 ADC 数据；
• 拉高 CS，完成一次数据读取。

ADS1120 的温度测量数据为 14 位左对齐，存储在 16 位数据的高 14 位，1LSB 对应 0.03125°C，负数采用二进制补码格式，需通过数据移位和符号处理转换为实际温度值。

冷端补偿算法实现

冷端补偿的核心是将冷端温度转换为对应热电势，与热电偶测量的热电势叠加后，再转换为实际温度，具体步骤如下：

• 将 ADS1120 内置温度传感器测量的冷端温度（TCJ）通过 NIST 温标转换表或多项式方程转换为冷端热电势（VCJ）；
• 读取 ADC 测量的热电偶热电势（VTC）；
• 计算总热电势 VT = VCJ + VTC；
• 再次通过 NIST 转换表将 VT 转换为实际温度（TTC）。

NIST 提供的 K 型热电偶转换表和多项式方程可确保转换精度，实际工程中可将转换表存储在 MCU 的 Flash 中，通过查表法快速实现转换，兼顾精度与实时性。