热电偶是一种精密的传感器，它通过连接两种不同金属材料的一端来利用热电效应测量温度。热电效应，主要包括塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应等，是由温差引起的电效应或由电流引起的可逆热效应，也称为温差电效应。

从电子论角度分析，金属和半导体中的电流和热流均与电子紧密相关。温度差异引起的电子能级跃迁和热量转移构成了热电效应的基础。塞贝克效应，作为与热电偶相关的效应，由德国科学家赛贝克在1821年发现：当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温度，会在导体中产生一个与温差成正比的电动势，公式表示为：

V=a△T

其中，V为温差电动势，a为温差电动势率，△T 为两接触点间的温差。

例如，铁与铜的冷接头为1℃，热接头处为100℃，则有5.2毫伏的温差电动势产生。

塞贝克效应的发现为温差电偶的制造提供了理论依据，使得利用适当的金属组合，可以测量从-180℃到+2000℃，甚至更高温度范围的温度。

标准电极定律提供了一个简化热电偶热电动势测定的实用方法：已知两种导体与第三种导体组成的热电偶热电动势后，这两种导体间组成的热电偶的热电动势也得以确定。

实际应用：标准电极定律是一个极为实用的定律。面对众多的纯金属和合金类型，直接测量每种组合的热电动势是一项庞大的工作。铂因其物理化学性质稳定、高熔点、易提纯等特性，常被选作标准电极。通过测定各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，可以间接获得其他金属组合的热电动势值，极大简化了热电偶的标定过程。

类比半导体推出的ADX112Q是一款精密、低功耗、16 位模数转换器 (ADC)，提供MSOP-10封装和QFN-10封装。ADX112Q集成了可编程增益放大器(PGA)、电压基准、 振荡器和高精度温度传感器。这些特性以及2V至5.5V 的宽电源范围使 ADX112Q非常适合功率受限和空间受限的传感器测量应用。ADX112Q能以高达每秒860个样本(SPS)的数据速率执行转换。PGA提供从±256mV到±6.144V的输入范围，允许以高分辨率测量大信号和小信号。输入多路复用器(MUX)允许测量两个差分或四个单端输入。高精度温度传感器可用于系统级温度监测或热电偶冷端补偿。ADX112Q可以在连续转换模式下工作，也可以在转换后自动关断的单次模式下工作。单次模式能显著降低空闲期间的电流消耗。数据通过串行外设接口(SPI™)传输。ADX112Q的额定温度范围为–40°C 至 125°C。

特性

• AEC-Q100 (仅限 ADX112Q)

• 超小型 QFN 封装：2mm × 1.5mm × 0.4mm

• 小型 3mm × 3mm MSOP 封装

• 宽电源范围：2V 至 5.5V

• 低电流消耗：连续模式：仅 145µA 单次模式：自动关机

• 可编程数据速率：8SPS 至 860SPS

• 单周期稳定

• 内部低漂移参考电压

• 内部振荡器

• SPI 兼容接口

• 内部 PGA

• 四个单端或两个差分输入

• 工作温度范围：–40°C 至 125°C

与热电偶检测相关的外电路非常简洁，只需要偏置电阻和抗混叠滤波电路。

偏置电阻(R_PU和R_PD)有两个用途:

• 将输入信号的直流偏置设置在V_DD/2左右，提供稳定的共模输入

• 检测热电偶导线是否开路

该电路中，热电偶的两端分别通过R_PU和R_PD连接至V_DD和GND。偏置电阻取值范围通常为500kΩ 至 10MΩ，取较大的阻值旨在减少流经热电偶的偏置电流，避免因自加热效应产生额外的电压降，从而引入测量误差。同时，电阻值也不宜过大，确保提供充足的偏置电流。本设计中，偏置电阻选用1MΩ，产生1.65uA的偏置电流。在正常运行时，这两个电阻将热电偶的直流偏置点设置为V_DD/2左右，而热电偶电压的范围为 -6.5mV至55mV；一旦热电偶断开，1MΩ的R_PU和R_PD和ADC输入内阻形成分压（FSR = ±0.256V时，ADX112的差分输入阻抗为0.9MΩ），ADC的差分输入信号将达到约1.024V，远超正常电压范围，导致ADC的读数达到7FFFh，从而轻易识别出开路故障状态。

差模电容C_diff需要至少为共模电容C_cm的10倍，这样的设计使得共模滤波器的截止频率大约是差分滤波器截止频率的20倍。这一设计的原因在于，共模电容的不匹配（即容值有差异）可能导致2个通道的共模滤波截止频率出现差异，从而使共模噪声转变为差模噪声进入信号输入端；上文提到，共模滤波器的截止频率比差模滤波器的高20倍左右，那么因为共模电容不配置引起差模干扰的频率也会远高于差模滤波器截止频率，可以有效滤除因共模电容不匹配引入的高频差模干扰。

RC滤波器中的电阻选用了500欧姆，这一取值避免了与ADX112的输入阻抗形成不利的分压效应，防止对增益误差造成过大影响。若系统设计中已考虑对增益误差进行校准，则电阻的取值可以适当放宽。

在电路布局时，应将ADX112与热电偶的接线端子尽可能靠近，以减少ADX112内部温度与热电偶实际参考端（冷端）之间的温差，从而降低对最终温度测量误差的影响。

SPI接口的设计同样经过周密考虑，以确保良好的抗扰性。在MCU与SPI口的各引脚之间串接了一个小电阻（约50Ω），并预留了上拉电阻，以便在EMC测试中遇到问题时进行必要的调整。这种设计不仅增强了系统的稳定性，也为应对电磁兼容性测试提供了灵活性。

在软件设计中，将检测到的热电偶电压转换为实际温度值是一项至关重要的任务。这一过程需要依赖热电偶分度表，该表通常是在参考端（冷端）温度为0℃时记录的工作端（热端）温度数据。

正确的冷端补偿流程如下：

1. 参考端温度的准确获取：首先，从热电偶分度表中查询得到参考端（冷端）温度T_cj所对应的电压V_cj。对于ADX112Q，可以通过读取内部温度传感器的寄存器转换结果来获得冷端温度T_cj。

2. 电压转换与补偿：将热电偶测量得到的电压V_tc（相当于E_AB(T_tc,T_cj)与查表得到的V_cj（相当于E_AB(T_cj,0)相加，得到总电压V_tct。然后在分度表中查找与V_tct（相当于E_AB(T_tc,0)对应的温度T_tc。

示例分析：

假设ADX112测量得到的K型热电偶热电势为40mV，同时内部温度传感器测得的冷端温度为20℃，我们如何确定被测温度？

1. 根据K型热电偶分度表，查得20℃时对应的热电势为0.798mV

2. 将此值与测量得到的40mV相加，得到40.798mV

3. 最后，根据分度表查找此总电压对应的温度，得到被测温度为980.823℃

警示与纠正：

一些工程师可能会直接将测量得到的热电偶电压转换为温度值并与冷端温度相加，这种方法忽略了热电偶中间温度定律，因而是错误的。正确的做法是按照上述步骤进行冷端补偿，以确保温度测量的准确性。

通过上述精确的软件设计方法，可以充分利用ADX112Q的高性能特性，实现热电偶检测中的高精度温度测量。

本小节将阐述ADX112的编程精要，对于详细的配置步骤和未尽事宜，强烈建议详细阅读ADX112Q的数据手册，以确保编程的准确性和系统性能的最优化。通过精确的配置，可以充分发挥ADX112Q在热电偶检测及其他传感器测量应用中的性能潜力。

ADX112Q支持在单一数据传输周期内直接回读配置寄存器的设置。一个完整的数据传输周期由32位组成，当启用配置寄存器数据回读功能时；若CS线可控，且未设置为永久低电平，则周期为16位。在实际应用中，32位的数据传输周期更为常见。

在32位的数据传输周期中，数据由四字节组成：前两个字节包含转换结果，后两个字节为配置寄存器的回读数据。系统始终优先读取最高有效字节(MSB)。

1） 模式选择（MODE）

考虑到本方案涉及两路K型热电偶输入及内部温度测量的需求，配置寄存器的MODE位（bit8）应设置为“Power-down and single-shot mode”。此模式在单次转换后自动进入低功耗状态，适合对功耗有严格要求的应用场景。

2） 可编程增益放大器（PGA[2:0]）

K型热电偶的测温范围广泛，从-270℃至1370℃，对应的热电势为-6.5mV至54.8mV。为了适应这一输入范围，并且与ADX112的全量程±0.256V相匹配，PGA的增益应设置为0b111，确保信号在ADC的整个量化范围内得到准确转换。

3） 输入多路复用器（MUX[2:0]）

由于需要处理两路差分输入的K型热电偶信号，MUX寄存器应根据输入通道在0b000和0b011之间进行切换，以选择正确的输入通道。

4） 数据速率（DR[2:0]）

数据速率的设置决定了ADC的采样速度。在此方案中，DR位应设置为0b000，对应于8sps的数据速率，平衡了转换精度和系统功耗。

5） 温度传感器模式（TS_MODE）

TS_MODE位通常设置为0，以选择ADC模式。当需要进行温度测量时，应将此位设置为1，以切换至温度传感器模式（Temperature sensor mode）。

6） 无操作位（NOP[1:0]）

在进行寄存器写入操作时，NOP位必须设置为0b01，以确保写入操作被执行。若设置为其他值，写入操作将被忽略。

7） 单次启动位（SS）

在Power-down and single-shot mode（单次模式）下，SS设置为1启动转换。在读取SS位时，0表示转换正在进行中，而1表示转换已完成，此时可以读取转换结果。值得注意的是，当SS位为1时，应再次读取转换结果寄存器，而不是直接采用本次读上来的数据。数据转换完成后，DOUT/DRDY引脚将输出低电平，为系统提供了另一种判断数据转换完成的方式。

在配置寄存器正确设置之后，接下来的任务是按照既定流程切换通道并读取转换结果。以下是详细的步骤：

1） 启动通道1单次转换：首先，向ADX112Q发送0x8F0B指令，此操作将完成配置并触发单次转换的开始。

2）  查询转换状态：随后，发送0x0F0B指令以查询转换状态位SS。若SS位为0，表明转换正在进行中，此时需继续监控。

3） 保存通道1转换结果并切换通道：一旦SS位变为1，表示转换已完成。此时，发送0xBF0B指令，将读取的转换结果保存，该结果将作为通道1（连接至AIN0和AIN1）的有效数据。

4） 重复查询流程：再次发送0x030B指令，重新查询SS状态。若SS位为0，继续监控；若为1，则表明通道2的转换已完成。

5） 保存通道2转换结果并切换通道：对于通道2（连接至AIN2和AIN3），发送0x8F0B指令，将读取的转换结果保存，作为该通道的有效数据。

6） 循环操作：返回至第2步，继续执行循环操作，以持续监测和记录各通道的转换结果。